對于日常生活來說，這是一個至關重要的過程 - 從早晨的咖啡機到提供電力的大型發(fā)電廠 - 它通常被認為是理所當然的：液體從熱表面沸騰的方式。

然而令人驚訝的是，這個基本過程僅在麻省理工學院博士后鄭茂璐，機械工程系教授，系主任Evelyn Wang和麻省理工學院三位其他人在麻省理工學院的新分析中，首次在分子水平上進行了詳細分析。東京大學。該研究發(fā)表在Nature Communications雜志上。

“事實證明，對于液相到汽相的變化過程，對它的基本理解仍然相對有限，”Wang解釋道。“雖然已經開發(fā)了很多理論，但實際上還沒有關于蒸發(fā)物理學基本限制的實驗證據(jù)。”

這是一個重要的理解過程，因為它無處不在。“蒸發(fā)在各種不同類型的系統(tǒng)中都很普遍，例如發(fā)電廠的蒸汽發(fā)生，海水淡化技術，膜蒸餾和熱管理，例如熱管，”Wang說。優(yōu)化這些過程的效率需要清楚地了解所處的動態(tài)，但在許多情況下，工程師依靠近似或經驗觀察來指導他們對材料和操作條件的選擇。

通過使用新技術來控制和檢測蒸發(fā)液體表面的溫度，研究人員能夠確定一組涉及時間，壓力和溫度變化的通用特征，這些特征決定了蒸發(fā)過程的細節(jié)。在這個過程中，他們發(fā)現(xiàn)決定液體蒸發(fā)速度的關鍵因素不是表面和液體之間的溫差，而是液體表面和環(huán)境蒸汽之間的壓力差。

Rensselaer Polytechnic Institute(RPI)教授兼材料科學與工程系主任Pawel Keblinski表示，盡管經過數(shù)十年的研究，液體在給定溫度和壓力下如何蒸發(fā)的“相當簡單的問題”仍未得到解決。沒有參與這項工作。“雖然理論家推測了一個多世紀，但實驗并沒有什么幫助，因為看到蒸發(fā)的液體 - 蒸汽界面并知道界面附近的溫度和壓力是極具挑戰(zhàn)性的，”他說。

Keblinski說，這項新工作“使我們更接近事實。”與其他人開發(fā)的其他新觀察技術一起，新的見解將“讓我們走上經過一個世紀努力后最終量化蒸發(fā)過程的道路”，他說。

研究人員的成功部分是因為消除了使分析復雜化的其他因素。例如，液體向空氣中的蒸發(fā)受到空氣本身的絕緣性質的強烈影響，因此對于這些實驗，在僅存在液體和蒸汽的室中觀察該過程，該室與周圍空氣隔離。然后，為了探測液體和蒸汽之間邊界的影響，研究人員使用了一個非常薄的薄膜，這個薄膜充滿了小孔，將水加熱，加熱并測量溫度。

該膜僅由200納米(十億分之一米)厚，由氮化硅制成并涂有金，通過毛細管作用將水帶入其孔中，并被電加熱以使水蒸發(fā)。然后，“我們還使用該膜作為傳感器，以準確和非侵入的方式感知蒸發(fā)表面的溫度，”Lu說。

他補充道，膜的金涂層至關重要。金的電阻直接根據(jù)溫度變化，因此通過在實驗前仔細校準系統(tǒng)，他們能夠在蒸發(fā)發(fā)生的確切點，即時，直接讀取溫度，只需讀取膜的阻力即可。

他們收集的數(shù)據(jù)“表明，這個過程中的實際驅動力或驅動潛力不是溫度的差異，而是壓力差，”王說。“這就是讓現(xiàn)在所有東西與這條非常好的曲線保持一致的原因，這與理論所能預測的相符，”她說。

雖然原則上聽起來很簡單，但實際上用100納米寬的孔來開發(fā)必要的膜，這種膜是用干涉光刻法制成的，并且讓整個系統(tǒng)正常工作需要兩年的努力，她說。

總體而言，迄今為止的研究結果“與理論所預測的一致”，Lu說，但確認這一點仍然很重要。“雖然理論預測了事情，但沒有實驗證據(jù)表明理論是正確的，”王補充說。

新發(fā)現(xiàn)還為工程師設計新的基于蒸發(fā)的系統(tǒng)提供指導，提供有關在給定情況下選擇最佳工作流體的信息，以及壓力和從系統(tǒng)中去除環(huán)境空氣的條件。“使用這個系統(tǒng)作為指導，你可以優(yōu)化某些應用的工作條件，”Lu說。

該團隊 “做了一系列優(yōu)雅的實驗，旨在確認理論預測，”化學和生物工程教授Joel Plawsky說。

RPI，沒有參與這項工作。“該設備獨特，難以制造和操作。數(shù)據(jù)質量和細節(jié)都很出色。任何時候人們都可以通過開發(fā)無量綱公式來摧毀大量數(shù)據(jù)，“即在各種條件下同樣適用的公式”，這代表了工程學的一個重大進步，“他說。

Plawsly補充說：“這項工作有很多問題可以解釋不同流體和流體混合物的行為。人們可以想象多年的后續(xù)工作。“