物理学家们发现了如何创造有史以来最薄的液体薄膜

佛蒙特大学的物理学家团队发现了一种全新的表面可以变湿的方式。他们的研究可以让科学家们制作出有史以来最薄的液体薄膜 - 并设计出几种原子厚度的新型表面涂层和润滑剂。

“我们已经了解了控制石墨烯上生长的超薄薄膜厚度的因素，”UVM的博士生，新研究的主要作者Sanghita Sengupta说。“而且我们现在对于什么条件 - 比如你可以转动的旋钮 - 将会改变在不同液体中形成多少层原子的情况有很好的认识。”

第三种方式

要了解新物理，想象当雨落在你的新iPhone上时会发生什么：它在屏幕上形成珠子。他们很容易摆脱。现在想象一下长时间淋浴后的浴室：整个镜子可能会覆盖一层薄薄的水。“这是润湿物理学的两个极端例子，”UVM物理学家Adrian Del Maestro说，他是这项新研究的合着者。“如果液体内的相互作用强于液体和表面之间的相互作用，液体原子会粘在一起，形成单独的液滴。相反的情况下，表面的强拉力会导致液体扩散，形成薄膜。”

50多年前，物理学家推测出第三种可能性 - 一种称为“临界润湿”的奇怪现象，液体原子开始在表面形成薄膜，但当它们只有几个原子厚度时会停止积聚。20世纪50年代的这些科学家，包括着名的苏联物理学家Evgeny Lifshitz，不确定关键的润湿是否真实，他们当然不认为它能够在实验室中被看到。

然后，在2010年，诺贝尔物理学奖授予了两位俄罗斯科学家，因为他们创造了一种叫做石墨烯的奇异形式的碳。这是一块只有一个原子厚度的蜂窝状碳片。它是世界上最强大的材料，具有许多材料科学家一直在探索的古怪品质。

德尔梅斯特罗德说，石墨烯是“测试临界润湿的理想表面”，佛蒙特州的团队现在已经在数学上证明了临界润湿是真实的。

利用范德瓦尔斯力量

科学家探索了三种轻质气体 - 氢气，氦气和氮气 - 如何在石墨烯附近发挥作用。在真空和其他条件下，他们计算出这些气体的液体层将开始在一个原子厚的石墨烯片上形成。但是，当“10或20个原子厚度”时，电影停止生长，“UVM物理系石墨烯专家，该研究的资深作者瓦列里科托夫说。

可以在量子力学中找到解释。虽然一个中性原子或分子 - 就像UVM团队研究的轻气体 - 没有整体电荷，但是电子不断地在远处的核心周围盘旋(好的，“遥远的”只有电子的尺度)在原子的一侧或另一侧形成瞬间不平衡。电子密度的这些变化引起了宇宙中普遍但弱的力量之一：范德瓦尔斯力。它在原子之间产生的吸引力只会延伸很短的距离。

由于石墨烯的古怪，完美平坦的几何形状，没有静电荷或化学键来保持液体，留下微弱的范德华力来完成所有繁重的工作。这就是为什么当薄膜生长到离表面只有几个原子时，附着在石墨烯上的液体不再吸引额外的原子离开蒸汽。相比之下，即使是浴室镜子上最薄的水层 - 由比范德瓦尔斯力量子尺度效应更强大的力量形成 - 将是“在109原子厚度附近”，德尔梅斯特罗说; 这是1,000,000,000原子厚。

应用的湿度

设计可以观​​察到这种弱力的表面已经证明是非常具有挑战性的。但是，对石墨烯的科学兴趣的爆炸使得UVM科学家得出结论，关键的润湿似乎是现在正在创造的多种形式的石墨烯以及其他二维材料不断增长的家族中的普遍现象。

科学家的模型显示，在真空中，可以操纵悬浮的石墨烯片(上图)以产生液体薄膜(蓝色，上面的原子)，以50纳米的厚度停止生长，直到厚度仅为3纳米。“重要的是我们可以调整这个厚度，”Sengupta说。通过拉伸石墨烯，用其他原子掺杂，或在附近施加弱电场，研究人员已经证明可以控制超薄膜中的原子数量。

石墨烯的机械调节可以允许液膜厚度的实时变化。这可能有点像转动一个“量子大小的旋钮”，另一位参与新研究的UVM博士生Nathan Nichols说，他在原子级机器的外面为了改变移动时的表面涂层里面的零件。

现在这个理论物理学家团队 - “我开始称我所做的介电工程，”Sengupta说 - 他正在寻找一个实验物理学家团队来测试他们在实验室中的发现。

石墨烯作为工业产品的许多初步承诺尚未实现。部分原因是，当其他材料的厚层粘在上面时，它的许多特殊属性 - 如非常有效的导体 - 都会消失。但是，通过控制临界润湿，工程师可能能够定制纳米级涂层，这种涂层不会污染石墨烯所需的性能，但Adrian Del Maestro说，它可以为“下一代可穿戴电子产品和显示器提供润滑和保护”。