实验揭示了蒸发的物理学

这是一个对日常生活如此重要的过程——从早晨的咖啡壶到为其提供电力的大型发电厂——以至于人们常常认为这是理所当然的:液体从热表面沸腾的方式。

然而，令人惊讶的是，直到现在，这个基本过程才第一次在分子水平上被详细分析，这是麻省理工学院博士后、机械工程教授、系主任Evelyn Wang以及麻省理工学院和东京大学的其他三位科学家的最新分析。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

王解释说:“事实证明，对于液相转变为汽相的过程，对它的基本理解仍然相对有限。”“虽然已经发展了很多理论，但实际上还没有实验证据表明蒸发物理学的基本极限。”

理解这个过程很重要，因为它无处不在。“蒸发在各种不同类型的系统中都很普遍，比如发电厂的蒸汽发电、海水淡化技术、膜蒸馏和热管理，比如热管，”王说。优化这类过程的效率需要清楚地了解起作用的动力学，但在许多情况下，工程师依靠近似或经验观察来指导他们选择材料和操作条件。

通过使用一种新的技术来控制和检测蒸发液体表面的温度，研究人员能够识别出一系列普遍的特征，包括时间、压力和温度的变化，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，而是液体表面和周围蒸汽之间的压力差。

伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute, RPI)材料科学与工程系主任、教授帕维尔•凯布林斯基(Pawel Keblinski)表示，液体在给定温度和压力下如何蒸发的“相当简单的问题”，尽管经过了数十年的研究，仍然没有得到解答。凯布林斯基没有参与这项工作。他说:“虽然理论学家们已经推测了一个多世纪，但实验几乎没有什么帮助，因为观察蒸发的液-汽界面，以及了解界面附近的温度和压力是极具挑战性的。”

凯布林斯基说，这项新研究“让我们更接近真相”。他说，随着其他人开发的其他新观测技术的出现，这些新发现将“让我们走上量化蒸发过程的道路，这是经过一个世纪的努力才实现的”。

研究人员的成功在一定程度上是消除了使分析复杂化的其他因素的结果。例如，液体进入空气的蒸发受到空气本身绝缘性能的强烈影响，因此在这些实验中，这个过程是在一个只有液体和蒸汽存在的房间中观察到的，与周围空气隔离。然后，为了探究液体和蒸汽之间的边界效应，研究人员使用了一种布满小孔的非常薄的薄膜来限制水，加热它，并测量它的温度。

这种薄膜只有200纳米(十亿分之一米)厚，由氮化硅制成，表面涂有一层金，通过毛细管作用将水输送到孔隙中，并通过电加热使水蒸发。然后，“我们也使用薄膜作为传感器，以精确和非侵入性的方式来感知蒸发表面的温度，”卢说。

他补充说，薄膜的金色涂层至关重要。黄金的电阻变化直接作为温度的函数,因此通过仔细校准系统在实验之前,他们可以得到一个直读温度的确切发生蒸发,每时每刻,仅仅通过阅读膜的阻力。

他们收集的数据“表明，在这个过程中，实际的驱动力或驱动潜力不是温度差，而是压力差，”王说。她说:“这就是为什么现在所有的东西都对齐到这条非常漂亮的曲线上，这与理论预测的吻合得很好。”

她说，虽然这在原则上听起来很简单，但实际上，要研制出具有100纳米宽孔的膜，并使整个系统正常工作，需要两年的艰苦工作。

总的来说，到目前为止的发现“与理论预测相一致，”卢说，但是得到证实仍然很重要。王补充说:“虽然理论已经预测到了一些事情，但还没有实验证据表明这些理论是正确的。”

这些新发现也为工程师设计新的基于蒸发的系统提供了指导，提供了在给定情况下选择最佳工作液的信息，以及压力条件和系统中环境空气的去除情况。“使用这个系统作为指导，你可以为某些应用程序优化工作条件，”卢说。

RPI的化学和生物工程教授Joel Plawsky说，这个团队“做了一系列精心设计的实验来证实理论预测”，他没有参与这项工作。“这个装置是独一无二的，制造和操作都非常困难。这些数据在质量和细节上都很出色。他说，任何时候，只要开发出一种无量纲的公式，就可以使大量的数据崩溃，“也就是说，这种公式在各种各样的条件下都同样适用”，这就代表了工程学的一大进步。

Plawsly补充说:“这项工作揭示了许多关于不同流体和流体混合物行为的问题。人们可以想象多年的后续工作的价值。”

该团队还包括东京大学的Ikuya Kinefuchi，以及麻省理工学院的研究生凯尔•威尔克(Kyle Wilke)和杰弗里•瓦茨特拉(Geoffrey Vaartstra)。这项工作得到了美国空军科学研究办公室和美国国家科学基金会的支持。