中英科学家创立纳米限域毛细凝聚新理论

开尔文方程适用性拓展到亚纳米尺度

中国科学技术大学教授王奉超与诺贝尔物理学奖获得者、英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆团队合作，创立纳米限域毛细凝聚新理论，将开尔文方程适用性拓展到亚纳米尺度。相关成果12月10日发表在《自然》上。

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。

开尔文方程描述了毛细管内弯曲的液气界面引起的蒸气压变化，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。如何在纳米尺度下修正开尔文方程，一直是学界关心的问题。

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，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角色，而非人们普遍认为的液气界面在起主导作用。据此，他们创立纳米限域毛细凝聚新理论，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。

王奉超表示，这项成果不仅为理解极限尺度下毛细凝聚现象的认知和理解奠定了基础，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。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038?/s41586-020-2978-1