科学家建立纳米尺度下的毛细凝聚新理论
2020-12-11

　　雨滴落在荷叶上为何会形成小水珠？墨水为何会被引导到钢笔的笔尖上？水在不同的介质与环境下表现出多种特性。近期，中国科学技术大学王奉超教授与诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授及其团队合作，研究揭示了固液界面能的尺寸效应，修正了物理学中经典的开尔文方程，建立了纳米尺度下的毛细凝聚新理论。

　　受表面张力和弯曲界面的影响，水在狭小的通道内更容易凝聚：在分压还没达到饱和蒸气压的时候，水就凝聚了，这就是毛细凝聚现象。约150年前，物理学家威廉·汤姆逊（后来被册封为开尔文勋爵）定量描述了凝聚压强的变化，该理论后来被称为开尔文方程。

　　然而，当通道直径缩小到水分子大小相当的尺寸时，由于实验观测难度大，开尔文方程里采用的弯月面曲率、接触角等概念难以被准确定义。如何在纳米尺度下修正开尔文方程，一直是国际学界关心的问题。

　　近期，中英联合研究团队利用二维材料构筑的纳米通道器件开展实验，他们巧妙地通过壁面变形来表征毛细凝聚现象，并对实验结果和力学机理给出合理解释。王奉超教授研究揭示了固液界面能的尺寸效应，发现了在纳米或亚纳米尺度的毛细凝聚中，是固液界面的力学作用在扮演重要角色，而不是人们普遍认为的液气界面在起主导作用。

　　据此，他们建立了纳米尺度下的毛细凝聚新理论，修正了经典的开尔文方程，并将方程适用性拓展到亚纳米尺度。该研究不仅为理解极限尺度下毛细凝聚现象奠定了基础，在微电子、制药、食品等行业也具有重要应用前景。

　　12月10日，国际著名学术期刊《自然》发表了这项研究成果。