如果雨水落在你的新iPhone上，屏幕上會(huì)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(shí)間沐浴后的浴室里，你會(huì)發(fā)現(xiàn)整面鏡子都覆蓋著一層薄薄的水霧，很久才會(huì)消散。這些是潤濕物理學(xué)的兩個(gè)極端例子，這個(gè)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(huì)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(dòng)會(huì)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(cè)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(huì)在表面上形成一層膜，但當(dāng)它們僅有幾個(gè)原子厚度時(shí)會(huì)停止積聚。但當(dāng)時(shí)包括蘇聯(lián)著名的物理學(xué)家EvgenyLifshitz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?yàn)樗麄儚奈丛趯?shí)驗(yàn)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(jiǎng)被授予給俄羅斯的兩位科學(xué)家，因?yàn)樗麄儎?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(gè)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(shí)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(yàn)，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(gè)原子厚的新型表面涂層和潤滑劑問世。

這項(xiàng)工作的主要完成者SanghitaSengupta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(gè)原子層厚的液體膜這種事都知道。”

在實(shí)驗(yàn)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(jì)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(gè)原子厚時(shí)，液體薄膜將停止增長。

佛蒙特大學(xué)的物理系石墨烯專家ValeriKotov解釋說：“我們可以在量子力學(xué)中找到為什么會(huì)出現(xiàn)潤濕臨界狀態(tài)的答案。盡管一個(gè)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(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)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(gè)原子時(shí)就會(huì)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(gè)原子厚，也可能是10億個(gè)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?yàn)楫?dāng)時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)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(chǎng)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(gè)厚度。

“對(duì)石墨烯的這幾種機(jī)械調(diào)整使液膜厚度發(fā)生實(shí)時(shí)變化，這有點(diǎn)像一個(gè)量子大小的旋鈕，”另一位從事這項(xiàng)新研究的NathanNichols博士說道，“我們就像是在操控一臺(tái)原子級(jí)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(gè)理論物理學(xué)家的團(tuán)隊(duì)，目前我們正在尋找一個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)來幫助我們測(cè)試這些發(fā)現(xiàn)，我們稱這項(xiàng)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?yàn)樗暮芏嗵厥庑阅芏际窃谖⒂^尺度下體現(xiàn)，當(dāng)我們做成宏觀體時(shí)不免要和其他材料結(jié)合，這個(gè)過程會(huì)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(huì)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(jià)值的。