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Forscher schaffen den dünnsten Flüssigkeitsfilm der Welt

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Dank der Physiker, die den dünnsten Flüssigkeitsfilm aller Zeiten geschaffen haben, gibt es jetzt ein neues Verständnis des Wortes "nass". Ein Team der University of Vermont hat eine neue Klasse von Beschichtungen und Schmiermitteln entwickelt, die nur wenige Atome dick sind.

"Wir haben gelernt, wie die Dicke ultradünner Filme, die auf Graphen gezüchtet werden, gesteuert wird", sagte Sanghita Sengupta, Doktorandin bei UVM und Hauptautorin der neuen Studie. "Und wir haben jetzt ein gutes Gefühl dafür, welche Bedingungen - wie Drehknöpfe, die Sie drehen können - die Anzahl der Atomschichten in verschiedenen Flüssigkeiten verändern werden."

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in einer kürzlich erschienenen Ausgabe des Journals Briefe zur körperlichen Überprüfung. Während die Studie selbst an Popularität gewann, erklärten die Forscher einen einfacheren Weg, um zu verstehen, was sie erreicht hatten. Wenn Regen auf das iPhone eines anderen fällt, bilden sich Perlen auf dem Bildschirm des Telefons. Diese Perlen können schnell abgeschüttelt werden und verursachen keinen Telefonschaden. Wenn Sie Ihr iPhone zum Duschen mit ins Badezimmer nehmen, um Musik zu hören, ist Ihr Telefon aufgrund von Dampf auch mit einer dünnen Wasserschicht bedeckt. Die Forscher erklärten, dass diese beiden Konzepte beide zur gleichen größeren Idee beitragen.

"Dies sind zwei extreme Beispiele für die Physik der Benetzung", bemerkte der UVM-Physiker Adrian Del Maestro, Mitautor der neuen Studie. "Wenn die Wechselwirkungen innerhalb der Flüssigkeit stärker sind als die zwischen Flüssigkeit und Oberfläche, haften die flüssigen Atome zusammen und bilden separate Tröpfchen. Im umgekehrten Fall bewirkt der starke Zug der Oberfläche, dass sich die Flüssigkeit ausbreitet und einen dünnen Film bildet."

Vor über einem halben Jahrhundert vermuteten Physiker jedoch, dass es eine dritte Möglichkeit der Benetzung geben könnte. Sie entwickelten die Idee der "kritischen Benetzung" - eine Zeit, in der sich Flüssigkeitsatome auf der Oberfläche eines Films bilden, aber nach nur wenigen Atomen aufhören. Der berühmte sowjetische Wissenschaftler Evgeny Lifshitz verstand das Konzept, aber wie viele seiner damaligen Mitphysiker bezweifelte er, ob sie real waren. Wenn eine kritische Benetzung real war, konnte sie nicht einfach in einer Laborumgebung getestet werden.

Ironischerweise ging der Nobelpreis für Physik 2010 an zwei russische Wissenschaftler für die Herstellung von Graphen - das Material, mit dem das Vermont-Forschungsteam gerade bewies, dass "kritisches Benetzen" real war.

In den letzten Jahren hat sich Graphen als das Supermaterial aller Supermaterialien erwiesen. Es leitet Elektrizität gut, interagiert auf einzigartige Weise mit Wasser und kann auf nahezu alles zugeschnitten werden, was Wissenschaftler in einer Vielzahl von Bereichen benötigen könnten.

Für Del Maestro und sein Team war Graphen die "ideale Oberfläche, um auf kritische Benetzung zu testen". Von dort aus verglichen die Physiker verschiedene Mengen an Wasserstoff, Helium und Stickstoff, wenn sie Graphen ausgesetzt waren. Unter Verwendung eines Vakuums sowie unter anderen Bedingungen entdeckte das Team, dass sich auf dem ultradünnen Graphen eine flüssige Schicht der verschiedenen Gase bilden würde. Wie Teammitglied Valeri Kotov jedoch betonte, hört der Film auf zu wachsen, wenn "er zehn oder 20 Atome dick ist".

Der Film haftet dank der Kräfte von Van Der Waals am Graphen. Die schwachen Kräfte der Flüssigkeit auf das Graphen scheinen im Vergleich zu der Stärke, mit der Wasser an Objekten haftet, nicht beeindruckend zu sein. Die Forscher stellten fest, dass es eine Herausforderung für sich war, solche schwachen Kräfte immer noch in einem Labor zu halten.

"Wichtig ist, dass wir diese Dicke einstellen können", bemerkte Sengupta.

Während diese Entdeckung wasserfeste Materialien oder wasserfeste Elektronik nicht vollständig umformt, stellte das Team fest, dass sie anderen Ingenieuren die Möglichkeit geben würde, die kritische Benetzung zu verstehen und zu kontrollieren. Es lieferte auch bedeutende Fortschritte bei dem, was Forscher über Graphen wissen.


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