中國粉體網(wǎng)訊 如果雨水落在你的新iPhone上，屏幕上會流下一串串的雨滴，但很快就能甩干凈。然而類似的情況如果出現(xiàn)在長時間沐浴后的浴室里，你會發(fā)現(xiàn)整面鏡子都覆蓋著一層薄薄的水霧，很久才會消散。這些是潤濕物理學(xué)的兩個極端例子，這個學(xué)科一直認(rèn)為，如果液體內(nèi)部的相互作用比液體和表面之間的相互作用更強(qiáng)，液態(tài)原子就會粘在一起，形成分離的液滴，相反的情況下，表面的強(qiáng)烈拉動會導(dǎo)致液體擴(kuò)散，從而形成薄膜。
但在50年前，有物理學(xué)家推測有第三種可能，他們指出可能存在著“臨界潤濕”狀態(tài)，液體的原子開始會在表面上形成一層膜，但當(dāng)它們僅有幾個原子厚度時會停止積聚。但當(dāng)時包括蘇聯(lián)著名的物理學(xué)家Evgeny Lifshitz在內(nèi)的這些科學(xué)家并不確定是否真的有這種的濕潤現(xiàn)象，因為他們從未在實(shí)驗室中看到它。
然而，事情隨著石墨烯的發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。在2010年，諾貝爾物理學(xué)獎被授予給俄羅斯的兩位科學(xué)家，因為他們創(chuàng)造了一種名為石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)的碳。這是一種只有一個原子厚度的蜂窩狀碳膜，是世界上強(qiáng)度最高的材料，并且自它誕生后，材料科學(xué)家們不時能發(fā)現(xiàn)它的一些迥然于目前材料的奇特性質(zhì)。
美國佛蒙特大學(xué)的物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，石墨烯是實(shí)現(xiàn)“臨界狀態(tài)”現(xiàn)象的最佳材料。他們結(jié)合研究石墨烯的多年經(jīng)驗，提出了一種以石墨烯為基底，在上面控制性生長液體原子膜的方法，實(shí)現(xiàn)了潤濕的臨界狀態(tài)，而且更有意義的是造出了迄今為止最薄的液體薄膜。這種液體膜的出現(xiàn)代表著只有幾個原子厚的新型表面涂層和潤滑劑問世。
這項工作的主要完成者Sanghita Sengupta博士說：“我們已經(jīng)能很自如地控制石墨烯上超薄膜的生長。我們甚至連在什么條件下能得到幾個原子層厚的液體膜這種事都知道�！�
在實(shí)驗過程中，他們研究了三種輕氣體（氫氣、氦氣和氮?dú)猓┰谑┗咨系纳L行為。在真空和其他條件下，他們計算出這些氣體的液體層將開始在單原子厚的石墨烯片上形成。但當(dāng)液體層厚度增加到十到二十個原子厚時，液體薄膜將停止增長。
佛蒙特大學(xué)的物理系石墨烯專家Valeri Kotov解釋說：“我們可以在量子力學(xué)中找到為什么會出現(xiàn)潤濕臨界狀態(tài)的答案。盡管一個中性原子或分子不帶額外的電荷，但電子在不斷地繞著中心原子核運(yùn)動。這種運(yùn)動引起的電子密度的變化產(chǎn)生了宇宙中普遍存在但很弱的一種力量——范德華力，它在原子之間創(chuàng)造的吸引力只能延伸很短的距離�！�
“而石墨烯的二維幾何形狀是非常平坦的，沒有靜電荷或化學(xué)鍵來保留住液體，只能靠很弱的范德華力來維系液滴厚度堆積的過程。這就是為什么附著在石墨烯上的液體在薄膜生長到離表面僅幾個原子時就會停止吸引附加的原子。相比之下，即使是浴室鏡子上最薄的一層水，都是由許多比范德華力的量子尺度效應(yīng)更強(qiáng)大的力形成的，這層水的厚度可能是109個原子厚，也可能是10億個原子厚�！�
以往四五十年，眾多科學(xué)家一直認(rèn)為潤濕的臨界狀態(tài)無法觀察到，那是因為當(dāng)時設(shè)計一個可以觀察到這種弱力（范德華力）的表面非常具有挑戰(zhàn)性。但是在眾多形式的石墨烯和其他二維材料的不斷增長的材料家族中，臨界潤濕似乎是普遍現(xiàn)象。
他們?yōu)橐耗さ纳L過程建了一個模型，從模型中可看到在真空中操縱懸浮的石墨烯片（灰色底部）生長液膜（上層藍(lán)色原子）的過程。目前佛蒙特大學(xué)的研究人員已經(jīng)可以控制原子在3到50納米間的厚度處停止生長。Sengupta博士說，通過拉伸石墨烯基底、摻雜其他原子或在附近施加弱電場這幾種方法，研究人員已經(jīng)可以控制超薄膜中的原子數(shù)量，自如地調(diào)整這個厚度。
“對石墨烯的這幾種機(jī)械調(diào)整使液膜厚度發(fā)生實(shí)時變化，這有點(diǎn)像一個量子大小的旋鈕，”另一位從事這項新研究的Nathan Nichols博士說道，“我們就像是在操控一臺原子級別的機(jī)器，通過改變表面涂層里的小零件，控制涂層的厚度大小�！�
Sengupta博士說：“雖然我們做出了一些成就，但我們還只是個理論物理學(xué)家的團(tuán)隊，目前我們正在尋找一個實(shí)驗物理學(xué)家團(tuán)隊來幫助我們測試這些發(fā)現(xiàn)，我們稱這項工作為介電工程�！�
到目前為止，石墨烯尚且不能作為成熟的工業(yè)產(chǎn)品，因為它的很多特殊性能都是在微觀尺度下體現(xiàn)，當(dāng)我們做成宏觀體時不免要和其他材料結(jié)合，這個過程會使它獨(dú)特的特性受損甚至消失，比如極強(qiáng)的導(dǎo)電性。但是，通過控制臨界潤濕，工程師們可以定制納米涂層，這種涂層不會污染石墨烯所需的性能，它可以為下一代可穿戴電子設(shè)備和顯示器提供潤滑和保護(hù)。所以不管從什么方向來看，他們的成果都是非常有價值的。 （粉體網(wǎng)編輯整理/土豆兒）
