Grafeencoatings kunnen de mogelijkheid bieden om het waterverdampingsproces van verschillende oppervlakken te regelen, volgens nieuw onderzoek.

De studie, uitgevoerd door een team van de Chinese Academie van Wetenschappen en het Collaborative Innovation Center of Quantum Matter (Beijing), keek naar de interacties van watermoleculen met verschillende met grafeen bedekte oppervlakken.

Het is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift 2D-materialen .

Hoofdauteur Dr. Yongfeng Huang, van de Chinese Academie van Wetenschappen, zei:"Verdamping van waterdruppels is een alomtegenwoordig en gecompliceerd fenomeen, en speelt een spilfunctie in natuur en industrie. Het mechanisme ervan op atomaire schaal begrijpen, en het rationeel regelen van de verdampingssnelheid is belangrijk voor toepassingen zoals warmteoverdracht en lichaamstemperatuurregeling. Echter, het blijft een grote uitdaging."

De experimenten van het team toonden aan dat een grafeencoating de verdamping van water regelt door de verdampingssnelheid op hydrofiele oppervlakken te onderdrukken, en het versnellen van verdamping op hydrofobe.

Dr. Huang zei:"Wat nog belangrijker is, we ontdekten dat grafeen 'transparant' is voor verdamping. Wanneer een hydrofiel oppervlak is bedekt met grafeen, de contactlijn van de waterdruppel is drastisch verkort of verlengd, vanwege aanpassing in bevochtigingshoeken. Dit leidt tot veranderingen in de verdampingssnelheid."

De onderzoekers wilden de 'transparantie' in grafeen-gemedieerde verdamping begrijpen, en ontdek de onderliggende structuur op atomaire schaal. Om dit te doen, ze voerden moleculaire dynamica-simulaties uit op de verdamping van waterdruppels, op oppervlakken met en zonder grafeencoating.

Voor de eerste keer, ze identificeerden het mechanisme op atomaire schaal voor door substraat geïnduceerde verdampingsgebeurtenissen. Ze ontdekten dat watermolecuul een voorlopertoestand vormt bij de contactlijn voordat het verdampt.

Dr. Huang legde uit:"Verdere analyse toonde aan dat de waterdichtheid in verdampingsovergangstoestanden het grootst is bij de contactlijn, neemt vervolgens exponentieel af naarmate het van het substraat weggaat. Enkelvoudige waterdesorptie bij de contactlijn domineert het druppelverdampingsproces. Omdat het grafeen de bindingsenergie van een enkel watermolecuul niet verandert, het heeft verwaarloosbare effecten op de verdamping per contactlijn.

"Onze resultaten zijn een belangrijke ontdekking over door grafeen gemedieerde verdamping, en wijzen ook op nieuwe manieren om het verdampingsproces rationeel te beheersen, voor realistische toepassingen in warmteoverdracht, afdrukken en aanverwante gebieden."

Professor James Sprttles van de Universiteit van Warwick, UK beoordeelde het werk. Hij zei:"Met behulp van experimenten aangevuld met moleculaire dynamica-simulaties, Dr. Huang en collega's hebben fascinerende inzichten gegeven in de moleculaire mechanismen die de verdamping van waterdruppels op technologisch relevante met grafeen gecoate substraten bepalen.

"Hun onderzoek toont aan dat de bevochtigbaarheid als enige verantwoordelijk is voor veranderingen in de verdampingssnelheid, en opent tegelijkertijd verschillende interessante onderwerpen voor toekomstig onderzoek, zoals hoe moleculaire effecten (bijvoorbeeld voorloper nanofilms en thermische fluctuaties) kunnen worden opgenomen in macroscopische modellering."