Графен поможет реализовать механизм критического смачивания
Физики обнаружили, что на двумерных кристаллах, например графене или силицене, возможно образование жидких пленок в необычном режиме критического смачивания. При конденсации легкой жидкости на расположенном над вакуумом графене толщина пленки достигает нескольких атомных слоев, после чего она перестает расти. Пока этот эффект был описан только теоретически для нескольких жидкостей — водорода, гелия и азота, пишут ученые в Physical Review Letters.
На незаряженной твердой поверхности любая жидкость может существовать в двух основных состояниях, выбор между которыми определяется энергией взаимодействия атомов жидкости между собой и атомов жидкости с атомами твердого тела. При слабом взаимодействии между жидкостью и твердым телом на поверхности формируются отдельные капли (этот режим называется частичным смачиванием), в обратной ситуации — жидкость растекается по твердому телу ровным слоем (полное смачивание).
В середине прошлого века было показано, что теоретически при осаждении пленки из газовой фазы возможно образование и промежуточного режима неполного (или критического) смачивания, в котором непрерывная пленка жидкости на твердой поверхности образуется, но достигая при росте (например при конденсации из пара) определенной толщины, расти перестает. Ее толщина при этом должна составлять очень небольшое число атомных слоев. Реализоваться такой механизм может только при строго определенном значении слабых сил Ван-дер-Ваальса, действующих между жидкостью и твердым телом, в которых почти полное отсутствие дальнодействующего «хвоста» у потенциала взаимодействия делает дальнейший рост пленки энергетически невыгодным. До настоящего дня область поиска систем, в которых эта ситуация могла бы наблюдаться, ограничивался лишь квантовыми жидкостями или жидкими поверхностями.
Группа физиков из США и Германии под руководством Валерия Котова (Valeri Kotov) из Вермонтского университета обнаружила, что механизм критического смачивания можно реализовать и для нескольких легких жидкостей на графене — гексагональной двумерной решетке из атомов углерода толщиной в один атом. Исследование ученые проводили с помощью теоретического анализа, рассмотрев в качестве жидкостей жидкие водород, гелий и азот. Для каждой из жидкостей были изучены три различные конфигурации — с одной стороны от графена всегда находилась тонкая пленка жидкости, а с другой стороны была одна из трех фаз: либо твердая подложка с другой диэлектрической проницаемостью, либо такая же жидкость, как и та, из которой состоит пленка, либо вакуум.
В рассмотренных системах пленка жидкости осаждается на графен за счет адсорбции молекул из газовой фазы. Оказалось, что для трех конфигураций этот процесс происходит по-разному. Если в случае твердой подложки или жидкой фазы под графеном толщина пленки определяется давлением пара над ней и фактически слой может расти бесконечно, то в ситуации, когда графен «висит» над вакуумом, можно реализовать критический механизм смачивания.
Для всех трех газов из-за отличий в физических параметров толщина, на которой прекращается рост, оказалась разной: у азота это 3,5 нанометра, у водорода — 12 нанометров, а у гелия — 300 нанометров. Интересно, что при повышении давления пара на поверхности пленки могут развиться неустойчивости и сформироваться отдельные капли с краевым углом до 2,4 градуса.
Ученые отмечают, что подобный механизм может быть реализован с легкими жидкостями не только на графене, но и на других двумерных материалах, например, на полупроводниковых дихалькогенидах переходных металлов, а также двумерных топологических изоляторах — силицене и германене. При этом, поскольку толщина пленки полностью определяется поляризуемостью молекул жидкости и механическими и электрическими свойствами двумерного кристалла, то этот принцип возможно в будущем использовать для создания тонких покрытий заданной толщины.
В данной работе ученые предлагают изменять параметры смачивания графена — толщину пленки и краевой угол образующихся на ней капель — с помощью легирования материала или механической нагрузки. Работают аналогичные подходы и на макроскопическом уровне. Так, недавно американские ученые предложили способ уменьшения краевого угла на графене с помощью добавления в его структуру кислородсодержащих функциональных групп в атмосфере различных газов.
Александр Дубов
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.