蒸発の物理学を説明する

研究者らは、温度よりも圧力の変化が、液体が気体に変化する速度に大きな影響を与えることを示しています。

蒸発は、水が液体から気体または蒸気に変化するプロセスです。 このプロセスは、水が液体状態から大気中の水蒸気として水循環に戻る主な経路です。

蒸発は日常生活でもよく起こります。 シャワーから出ると、体についた水分が蒸発して乾燥します。 コップ一杯の水を放置しておくと、水が蒸発して徐々に水位が下がります。

MITの科学者たちは初めて、蒸発プロセスを分子レベルで詳細に分析した。 このために、彼らは蒸発する液体の表面の温度を制御および検出する新しい技術を使用しました。 これにより、蒸発プロセスの詳細を決定する、時間、圧力、温度の変化を含む一連の普遍的な特性を特定することができました。

彼らは主に、液体が蒸発する速さを決定する重要な要素は、表面と液体の間の温度差ではなく、むしろ液体表面と周囲の蒸気の間の圧力差であることを発見しました。

この実験を通じて、科学者たちは、液体が特定の温度と圧力でどのように蒸発するかというかなり単純な疑問にも答えました。

レンセラー工科大学（RPI）の教授で材料科学工学部長のパヴェル・ケブリンスキー氏は、「理論家たちは1世紀以上にわたって推測したが、蒸発する液体と蒸気の界面を観察し、温度を知ることができたので、この実験はほとんど役に立たなかった」と述べた。そして界面近くの圧力は非常に困難です。」

研究者らの成功は、分析を複雑にする他の要因を排除した結果でもある。 たとえば、空気中への液体の蒸発は空気自体の断熱特性に強く影響されるため、これらの実験では、周囲の空気から隔離され、液体と蒸気のみが存在するチャンバー内でプロセスが観察されました。

次に、液体と蒸気の境界における影響を調べるために、研究者らは小さな孔がたくさんある非常に薄い膜を使用して水を閉じ込め、加熱し、その温度を測定しました。

MITのポスドク、機械工学教授のZhengmao Lu氏は、「その膜は、厚さがわずか200ナノメートル（10億分の1メートル）で、窒化ケイ素で作られ、金でコーティングされており、毛細管現象によって細孔を通して水を運び、電気的に加熱されて、次に、その膜をセンサーとしても使用し、蒸発する表面の温度を正確かつ非侵襲的な方法で感知します。」

「膜の金コーティングは非常に重要です。金の電気抵抗は温度の関数として直接変化するため、実験前にシステムを注意深く校正することで、正確な温度の温度を直接読み取ることができます。」膜の抵抗を読み取るだけで、蒸発が起こっている場所を瞬間ごとに知ることができます。」

ワン氏は、「彼らが収集したデータは、このプロセスにおける実際の推進力または推進力は温度差ではなく、実際には圧力差であることを示唆しています。それが今、すべてのものをこの非常に素晴らしい曲線に合わせて調整し、何とよく一致させているのかを示しています」と述べた。理論的には予測できるだろう。」

「原理的には簡単に聞こえるかもしれませんが、実際には、干渉リソグラフィーと呼ばれる方法を使用して作られた、幅 100 ナノメートルの細孔を備えた必要な膜を開発し、システム全体を適切に動作させるには、2 年間の大変な作業がかかりました。」

新しい発見はまた、新しい蒸発ベースのシステムを設計するエンジニアに指針を提供し、特定の状況に最適な作動流体の選択と、圧力条件およびシステムからの周囲空気の除去に関する情報を提供します。

この研究には関与していないRPIの化学・生物工学教授ジョエル・プラウスキー氏は、「この装置は独特で、製造と操作が骨の折れるほど困難だった。データの品質と詳細は並外れたものだった。いつでも崩壊する可能性がある」と述べた。無次元の定式化、つまり、さまざまな条件下でも同様に適用できる定式化を開発することにより、データを広範囲に拡散することができ、これはエンジニアリングの大きな進歩となります。」

「この研究により、さまざまな流体や流体混合物の挙動について多くの疑問が明らかになります。その後の研究に何年もかかることが想像できます。」

チームには、東京大学の杵渕育也氏、マサチューセッツ工科大学の大学院生のカイル・ウィルク氏とジェフリー・ファーツトラ氏も含まれていました。 この研究は、空軍科学研究局と国立科学財団によって支援されました。

この研究はNature Communications誌に掲載された。