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大爆发！中科大今日再发《Nature》，最新成果将改写教科书！

2020-12-11 10:23:50 14 942

研究背景

我们生活中用玻璃杯喝水时，细心的小伙伴可能会发现中间的液面是低于杯壁处的，做实验的同学也知道看量筒读数要以凹液面为准，这些是界面处表面张力的作用，表面张力指液体表面任意二相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力。表面张力的形成同处在液体表面薄层内的分子的特殊受力状态密切相关。表面张力的存在形成了一系列日常生活中可以观察到的特殊现象。例如：截面非常小的细管内的毛细现象、肥皂泡现象。水对玻璃是浸润性比较好的，而荷叶就是相反，通常我们可以观察到小水滴在荷叶表面，这就是一种不浸润现象。

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今天再说一种现象，叫做毛细凝聚，说这个之前先说一下毛细现象，毛细现象（又称毛细管作用）是指液体在细管状物体内侧，由液体与物体之间的附着力和因内聚力而产生的表面张力组合而成，令液体在不需施加外力的情况下，流向细管状物体的现象，该现象甚至令液体克服地心引力而上升。植物根部吸收的水分能够经由茎内维管束上升，即是毛细现象最常见的例子。当液体和固体（管壁）之间的附着力大于液体本身内聚力时，就会产生毛细现象。液体在垂直的细管中时液面呈凹或凸状、以及多孔材质物体能吸收液体皆为此现象所造成的影响。如生活中自来水笔的笔管也是通过毛细现象维持笔头湿润，纸巾即是透过毛细现象吸收液体，其充满细孔的材质使得液体能够被纸巾吸收。

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而毛细凝聚是指在毛细通道限域空间内的气体，不必达到过饱和状态即可发生凝聚从而转变成液体的现象。毛细凝聚关联了宏观固液界面润湿和微观分子间力学作用，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。开尔文方程从理论上描述了毛细管内弯曲的液气界面引起的蒸气压变化，被认为是固液界面润湿领域三大经典理论之一。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，而如何在纳米尺度下修正开尔文方程，一直是研究者们关心的问题。

研究成果

为了解决这个难题，中国科学技术大学王奉超教授与英国曼彻斯特大学杨倩、诺贝尔物理奖得主A. K. Geim教授等在纳米限域毛细凝聚研究方面取得了重要进展。他们利用二维材料构筑的纳米通道器件开展实验，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，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。相关研究工作以“Capillary condensation under atomic-scale confinement”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。据了解，中科大过去十年已累计在《自然》和《科学》发表十篇学术论文，不仅开辟了石墨烯纳米限域传质这一世界科技前沿新领域，而且一直是这一领域的领导者。接下来，他们还将继续在这一领域开展新的探索。

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图文速递

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图1. 内部的原子级毛细管和水冷凝

通过范德华力组装制造的2D通道。简而言之，从块状白云母或石墨中剥落两个原子平面晶体，成为毛细管的顶壁和底壁。制造多层石墨烯以充当两个云母或石墨晶体之间的间隔物。

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图2. 极端2D约束下的凝结转变

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图3 二维通道的构建

之前教科书上提到的开尔文方程，描述了由于弯曲的液-气界面（例如液滴的表面）引起的蒸气压的变化。

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此次修正后的开尔文方程为：

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γSV 和γSL 是固气和固液界面的表面能， γSV − γSL = σ cos θ，d=h/cosθ，θ为壁管材料上水的接触角。

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图4 毛细凝聚测试系统

结论与展望

综上所述，作者使用二维晶体的范德华力组装得到原子级毛细管，并研究其中的毛细凝聚现象。最小的毛细管高度不到4Å，只能容纳单层水。出乎意料的是，即使在这种规模下，研究发现宏观开尔文方程式准确地描述了强亲水性（云母）毛细管中的缩合转变，并且对弱亲水性（石墨）毛细管而言在定性上仍然有效。这种一致是由于毛细管壁的弹性变形抑制了原子级毛细管与水分子之间的巨大振荡行为。作者对原始的开尔文方程做出了修正，这项工作为更好地了解毛细血管效应提供了基础，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。科学需要不断探索，在这个过程中会发现很多有趣的问题，像经典的毛细现象、开尔文方程，我们在中学物理里面就接触过，生活中也很常见，但仍需要深挖，这些知识和理论才会变得更加完善。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2978-1

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