在一项新的研究中，研究人员推动水纳米液滴以每小时250公里（155英里）的速度穿过石墨烯表面，相比之下，这个速度大约是动物界短跑冠军猎豹的两倍。水滴的超快速移动不需要任何外力或设备来驱动，仅仅是由于图案化的石墨烯，在移动的液滴的前部和后部产生了不同的接触角，推动它们向前。

来自瑞士苏黎世联邦理工学院的Ermioni Papadopoulou和PetrosKoumoutsakos，美国伊利诺伊大学芝加哥分校的ConstantineM. Megaridis，以及苏黎世联邦理工学院和丹麦技术大学的JensH. Walther等共同合作开展了这项研究，研究成果发表在最近一期ACSNano杂志上。

我们可以在纳米尺度上获得非常高速的水滴定向输送，而不需要消耗任何能量，只需通过石墨烯的图案化，”Koumoutsakos告诉Phys.org。“这可能在纳米制造和精确药物输送方面具有重要应用。它还首次提供了纳米级超快速水运输的简单定量解释。”

这种纳米/微米级传输模式与宏观尺度上观察到的任何东西都非常不同。石墨烯表面在结构上被图案化以产生润湿性梯度，范围从疏水到亲水。然后将由大约1500个水分子组成的水纳米液滴放置在表面上。不同的表面图案在疏水域上产生大的接触角，在亲水域上产生较小的接触角。水滴最前端和最后端处的接触角的差异使得液滴运动并使它们向前加速。

此前人们在自然界中也发现了类似的机制，例如在纳米布沙漠一种甲虫的表面和香蕉叶的静脉网络。这些表面具有导致改善水的收集和输送的图案。

在使用石墨烯的实验中，研究人员观察到水滴速度大约为每秒100米，这比通过某些其他方法（如表面能梯度）推动的水滴报告的最高速度快两个数量级。正如所料，由于较大的液滴增加的惯性和与表面的较大摩擦，较小的液滴比较大的液滴移动得更快。

在分析了水滴在石墨烯表面传输的机制后，研究人员推导出了一个比例定律，并开发了一个可用于预测液滴运动轨迹的模型。这个定律和模型可用于设计潜在应用的未来设备，例如纳米级和微米级系统的高效药物输送，发电和超快速散热。研究人员计划进一步研究除石墨烯以外的其他介质表面的高速水传输机制。

“我们正在研究其他纳米结构中的超快水传输，例如碳纳米管，”Koumoutsakos说。

      论文信息：Ultrafast Propulsion of Water Nanodroplets on Patterned Graphene，ACS Nano20191355465-5472