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科学家建立纳米尺度下的毛细凝聚新理论

  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。


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