修正了经典的开尔文方程，中科大描述纳米尺度下毛细凝聚现象理论获重要突破

原标题：修正了经典的开尔文方程，中科大描述纳米尺度下毛细凝聚现象理论获重要突破 来源：上观新闻

摘要：在微电子、制药、食品等行业具有应用前景

如何描述纳米/亚纳米尺度下的毛细凝聚现象，这既是纳米限域力学的关键科学问题，也是当前介尺度科学的国际前沿热点。

解放日报•上观新闻记者获悉，近日，中国科学技术大学王奉超教授与诺贝尔物理奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈•海姆教授团队合作，在纳米限域毛细凝聚研究方面取得重要进展，研究成果刊登在12月10日出版的国际著名学术期刊《自然》上。

王奉超教授在实验室  马潇汉、杨建瑞、杨烁  拍摄

【无处不在的毛细现象】

什么是毛细凝聚？先来了解一下无处不在的毛细现象。水在玻璃杯壁处的液面要比中间略高一些，这是界面处表面张力的作用。对一杯水而言，弯曲界面的范围太小，几乎不会影响到水的性质。但是当系统变小时，就会有很多有意思的毛细现象发生，浸润液体会在细管道内自发地向上爬升，比如钢笔的笔尖利用毛细作用引导墨水；土壤中的孔隙形成天然毛细管道，地下水顺着这些管道向上爬，才能被植物根系所吸收；植物体内的导管也是毛细通道，将水逆着重力向上运输，让水参与植物的光合作用等。

在毛细作用下，水在玻璃管内爬升。玻璃管越细，水爬升越高。（制图：钱建豪）

当空气中的水蒸气多到超过临界点，多余的那部分会凝聚成水，水蒸气开始凝聚的临界压强叫做水的饱和蒸气压。受表面张力和弯曲界面的影响，水在小通道内会更容易凝聚，还没到饱和蒸气压的时候，水就凝聚了，这就是毛细凝聚现象。

凝聚压强的变化被科学家威廉•汤姆逊（后来被册封为开尔文勋爵）在150年前定量描述，即如果知道通道的尺寸、液体和固体材料间的接触角，我们就能通过当前的温度、水的表面张力系数等一系列参数算出新的凝聚压强。该理论后来被称为开尔文方程，被证明可以描述尺寸在10纳米左右（约千分之一人类头发直径）通道内的凝聚现象，被认为是固液界面润湿领域三大经典理论之一。

【在微电子、制药、食品等行业具有应用前景】

当毛细通道进一步缩小到纳米/亚纳米尺度时，只有几个原子那么大，也就是“限域系统”。此时，通道内可能只能容纳一两层水分子，“弯曲液面”不存在，没有曲率半径，开尔文方程就不适用了。

如何描述这个尺寸下的毛细凝聚现象呢？带着这一问题，中科大王奉超教授和2010年诺奖得主安德烈•海姆教授课题组合作，在用石墨烯搭建的纳米毛细通道里，测量了水的凝聚压强，并通过理论分析，给出了开尔文方程的新形式。

纳米限域毛细凝聚示意图  美术设计：马子颂，梁琰

研究团队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。王奉超研究揭示了固液界面能的尺寸效应，发现了在纳米/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的角色，而不是人们普遍认为的液气界面在起主导作用。据此，他们建立了纳米限域毛细凝聚的新理论，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，而且在微电子、制药、食品等行业具有非常重要的实际应用前景。

“经典力学理论已经在宏观尺度上对固液体系给出了优美的描述，但在微观尺度上还缺乏普遍适用性。我们希望可以继续研究，对微观世界的固液界面现象也给出合理的解释。”王奉超说。

栏目主编：黄海华

文字编辑：黄海华

题图来源：视觉中国

图片编辑：曹立媛