在固液界面动力学中,固体的自由电子起着至关重要的作用。在液体流动时,会引起电子极化,并驱动电流;反过来,电子激励参与流体动力摩擦。然而,潜在的固体-液体相互作用,一直缺乏直接的实验探针。
近日,德国马普高分子所xiaoqing yu,nikita kavokine等,在nature nanotechnology上发文,报道利用超快光谱研究了液体-石墨烯界面的能量转移。
可见激发脉冲准瞬时加热了石墨烯电子,然后用太赫兹脉冲监测电子温度的时间演化。实验观察到水加速了石墨烯电子的冷却,而其他极性液体的冷却动力学,基本不受影响。固体-液体传热的量子理论解释了,基于石墨烯表面等离子体激元模式和所谓的水分子(水电荷波动hydrons—water charge )之间的共振,特别是水天平动模式 water libration modes(允许有效的能量传递),水特定的冷却增强。
该项研究,为集体模式介导的固液相互作用,提供了直接的实验证据,并支持理论上提出的量子摩擦机制。同时,为进一步揭示了水-石墨烯界面,特别较大的热边界电导,并提出了增强石墨烯基纳米结构热导率的策略。
electron cooling in graphene enhanced by plasmon–hydron resonance.等离子体共振增强石墨烯中的电子冷却。
图1:固-液界面的传热和摩擦。
图2:在石墨烯中,热电子弛豫的皮秒测量。
图3:电子-液体传热机理。
图4:等离子体激元-水分子强耦合。
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研究前沿:Nature Nanotechnology-石墨烯 | 量子摩擦制冷
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