实验揭示了蒸发的物理学

对于日常生活来说，这是一个至关重要的过程 - 从早晨的咖啡机到提供电力的大型发电厂 - 它通常被认为是理所当然的：液体从热表面沸腾的方式。

然而令人惊讶的是，这个基本过程仅在麻省理工学院博士后郑茂璐，机械工程系教授，系主任Evelyn Wang和麻省理工学院三位其他人在麻省理工学院的新分析中，首次在分子水平上进行了详细分析。东京大学。该研究发表在Nature Communications杂志上。

“事实证明，对于液相到汽相的变化过程，对它的基本理解仍然相对有限，”Wang解释道。“虽然已经开发了很多理论，但实际上还没有关于蒸发物理学基本限制的实验证据。”

这是一个重要的理解过程，因为它无处不在。“蒸发在各种不同类型的系统中都很普遍，例如发电厂的蒸汽发生，海水淡化技术，膜蒸馏和热管理，例如热管，”Wang说。优化这些过程的效率需要清楚地了解所处的动态，但在许多情况下，工程师依靠近似或经验观察来指导他们对材料和操作条件的选择。

通过使用新技术来控制和检测蒸发液体表面的温度，研究人员能够确定一组涉及时间，压力和温度变化的通用特征，这些特征决定了蒸发过程的细节。在这个过程中，他们发现决定液体蒸发速度的关键因素不是表面和液体之间的温差，而是液体表面和环境蒸汽之间的压力差。

Rensselaer Polytechnic Institute(RPI)教授兼材料科学与工程系主任Pawel Keblinski表示，尽管经过数十年的研究，液体在给定温度和压力下如何蒸发的“相当简单的问题”仍未得到解决。没有参与这项工作。“虽然理论家推测了一个多世纪，但实验并没有什么帮助，因为看到蒸发的液体 - 蒸汽界面并知道界面附近的温度和压力是极具挑战性的，”他说。

Keblinski说，这项新工作“使我们更接近事实。”与其他人开发的其他新观察技术一起，新的见解将“让我们走上经过一个世纪努力后最终量化蒸发过程的道路”，他说。

研究人员的成功部分是因为消除了使分析复杂化的其他因素。例如，液体向空气中的蒸发受到空气本身的绝缘性质的强烈影响，因此对于这些实验，在仅存在液体和蒸汽的室中观察该过程，该室与周围空气隔离。然后，为了探测液体和蒸汽之间边界的影响，研究人员使用了一个非常薄的薄膜，这个薄膜充满了小孔，将水加热，加热并测量温度。

该膜仅由200纳米(十亿分之一米)厚，由氮化硅制成并涂有金，通过毛细管作用将水带入其孔中，并被电加热以使水蒸发。然后，“我们还使用该膜作为传感器，以准确和非侵入的方式感知蒸发表面的温度，”Lu说。

他补充道，膜的金涂层至关重要。金的电阻直接根据温度变化，因此通过在实验前仔细校准系统，他们能够在蒸发发生的确切点，即时，直接读取温度，只需读取膜的阻力即可。

他们收集的数据“表明，这个过程中的实际驱动力或驱动潜力不是温度的差异，而是压力差，”王说。“这就是让现在所有东西与这条非常好的曲线保持一致的原因，这与理论所能预测的相符，”她说。

虽然原则上听起来很简单，但实际上用100纳米宽的孔来开发必要的膜，这种膜是用干涉光刻法制成的，并且让整个系统正常工作需要两年的努力，她说。

总体而言，迄今为止的研究结果“与理论所预测的一致”，Lu说，但确认这一点仍然很重要。“虽然理论预测了事情，但没有实验证据表明理论是正确的，”王补充说。

新发现还为工程师设计新的基于蒸发的系统提供指导，提供有关在给定情况下选择最佳工作流体的信息，以及压力和从系统中去除环境空气的条件。“使用这个系统作为指导，你可以优化某些应用的工作条件，”Lu说。

该团队 “做了一系列优雅的实验，旨在确认理论预测，”化学和生物工程教授Joel Plawsky说。

RPI，没有参与这项工作。“该设备独特，难以制造和操作。数据质量和细节都很出色。任何时候人们都可以通过开发无量纲公式来摧毁大量数据，“即在各种条件下同样适用的公式”，这代表了工程学的一个重大进步，“他说。

Plawsly补充说：“这项工作有很多问题可以解释不同流体和流体混合物的行为。人们可以想象多年的后续工作。“