出乎意料，影響蒸發過程的主要因素並非溫度差

麻省理工學院的研究人員首次在分子水平上對蒸發過程進行了研究。

實驗中使用的微孔薄膜的掃描電鏡圖。薄膜主要用於加熱液體和測定蒸發後的溫度。

清晨的咖啡壺和郊區的大型發電廠都涉及一個重要的過程：蒸發。這個過程非常常見，以至於人們會認為這是一個理所當然的事情——蒸發就是液體沸騰後離開熱表面的過程而已。然而，美國麻省理工學院和日本東京大學的研究人員最近才首次在分子水平上詳細揭示了驅動蒸發過程的秘密。據美國「物理學網」（phys.org）6月11日報道，麻省理工學院研究人員Evelyn Wang等在《自然通訊》雜誌發布了相關研究成果。Wang說：「事實證明，我們對液-氣轉化過程的理解還比較有限。雖然已經有很多理論來解釋這個過程，但並沒有實驗證據來表明蒸發的物理學基本原理。」理解蒸發過程具有重要價值，諸如蒸汽發電、海水淡化和熱管理等技術都會因此受益。Wang補充說：「優化這類過程的效率需要對蒸發動力學有比較深刻的認識。目前在大多數情況下，工程師們只能依靠經驗和觀察來指導他們的選材和操作。」

在新技術的幫助下，研究人員能夠分析出一系列對蒸發過程有決定性作用的特徵因素，例如時間、壓力和溫度變化等。在分析過程中，研究人員發現決定液體蒸發速度的關鍵因素不是表面和液體之間的溫差，而是液體表面和周圍蒸汽之間的壓力差。美國倫斯勒理工學院（RPI）教授Pawel Keblinski表示，雖然液體在給定溫度和壓力下的蒸發過程看似是一個「簡單問題」，但在實驗論證方面，研究人員一直沒有太大進展——觀察蒸發過程中的液-汽界面和分析界面附近的溫度、壓力情況的難度實在太大了。他說：「Wang等的新研究讓我們更加接近『蒸發真相』。隨著新觀測技術的發展，科學家們可以逐漸走上量化蒸發過程之路。」

Wang等成功的重要原因在於，消除了使分析複雜化的其他因素的影響。例如，液體進入空氣時會受到空氣本身絕緣性能的強烈影響。而在實驗中，整個過程是在一個只有液體和蒸汽存在的特定空間中進行的，不會受到空氣的影響。再比如，為了研究液體和蒸汽之間的邊界效應，研究人員使用了一種布滿小孔的特殊薄膜。薄膜的厚度只有約200納米，材質主要為氮化硅，其表面覆蓋有金塗層。水經毛細管作用輸送至孔隙中，然後在電加熱條件下蒸發。麻省理工博士後研究人員Zhengmao Lu說：「薄膜也是感測器，它能以非侵入方式精確測定蒸發表面的溫度。薄膜表面的金塗層至關重要，它的電阻變化與溫度之間存在函數關係。因此通過實驗前的校準，我們就能在實驗中通過讀取膜的阻力來獲得蒸發時的直讀溫度。」

實驗結果表明，蒸發的實際驅動力並非溫度差，而是壓力差。Wang說：「實驗結果與理論預測非常吻合。雖然這個結果看上去很簡單，但為了研製微孔薄膜和配套系統，我們花費了大約兩年的時間。」

Wang等的新發現有望為工程師們設計新的類蒸發系統提供指導。RPI研究人員Joel Plawsky對Wang等的工作給與了高度評價，他說：「測試裝置的製造和操作都非常困難，但他們還是取得了很好的成果。這項工作會對解釋不同類型的流體和混合流體的行為有很大幫助，其後續工作的價值難以想像。」

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：西莫

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