Кунь Цюань Лу с коллегами по Институту физики Китайской академии наук (Пекин, КНР) обнаружили, что одна из электрореологических жидкостей — силиконовое масло — при добавлении наночастиц оксида титана начинает интенсивно испаряться.

В норме силиконовое масло — эффективный смазочный материал, исключительно устойчивый к температурным воздействиям и значительно менее склонный к испарению, чем обычные смазочные масла на основе нефти.

Его можно хранить десятилетиями в открытом сосуде и не увидеть ни намёка на испарение. А тут вдруг испаряемость, как у обычной воды!

Рис. 1. По мнению исследователей, необычно большие углы стыков между гранями кристаллической решётки анатаза приводят к тому, что молекулам жидкости легче оторваться от наночастицы и покинуть жидкую среду. (Здесь и ниже илл. Kunquan Lu et al).

В чем причина загадочного явления? Конечно, наночастицы двуокиси титана могли увеличить общую поверхность испарения и тем ускорить его. Но базисная скорость перехода в газообразное состояние у силиконового масла всё равно слишком мала. Даже если удвоить её, как полагают авторы работы, такого значительного уровня всё равно не достичь.

Для проверки гипотезы об увеличении площади поверхности учёные использовали наночастицы разных размеров. Если всё дело именно в поверхностной интенсификации, то чем меньше наночастицы, тем выше должна быть испаряемость. Фактически, однако, испаряемость росла только до тех пор, пока частицы не становились меньше определённых размеров. Затем она стала падать.

Другим сюрпризом оказалось то, что наибольшие вариации испаряемости дала замена диоксида титана в форме анатаза на тот же диоксид в виде рутила. И тот и другой имеют тетрагональную структуру кристаллической решётки, однако у анатаза угол, под которым сходятся грани решётки, приближается к 82°9', а у рутила он всего лишь 56°52½'. По мысли китайских товарищей,

из-за того что молекулы силиконового масла слабее удерживаются на поверхности наночастиц под слишком большими углами, анатазовые частицы приводят к радикальному росту испаряемости при тех же давлении и температуре.

Рис. 2. Как видите, наночастицы анатаза при том же самом химическом составе устойчиво опережают рутил по способности стимулировать испаряемость.

На самом деле это лишь самая общая характеристика процесса, детальное понимание которого потребует длительных дополнительных исследований, полагают учёные. Но и до полного прояснения теоретического механизма столь аномальное поведение жидкостей в присутствии анатаза может сыграть огромную роль в целом ряде практических приложений.

Напомним: анатаз — очень распространённый и недорогой материал, да и использоваться для стимуляции испарения он может многократно. С другой стороны, резкое ускорение испарения нефти было бы бесценно для очистки нефтяных пятен на воде, а предполагаемая исследователями возможность аналогичного аномального роста испаряемости в морской воде может привести к резкому сокращению стоимости её опреснения. Наконец, таким же образом можно с высокой экономией очищать сточные воды как промышленных предприятий, так и канализационных систем.

Исследование представлено в журнале AIP Advances, а с его препринтом можно ознакомиться на сайте arXiv.