中英科學家建立納米尺度下的「毛細凝聚」新理論

新華社合肥12月10日電(記者徐海濤)雨滴落在荷葉上為何會形成小水珠?墨水為何會被引導到鋼筆的筆尖上?水在不同的介質與環境下表現出多種特性。近期,中國科學技術大學王奉超教授與諾貝爾物理學獎得主、英國曼徹斯特大學安德烈·海姆教授及其團隊合作,研究揭示了固液介面能的尺寸效應,修正了物理學中經典的開爾文方程,建立了納米尺度下的毛細凝聚新理論。

受表面張力和彎曲介面的影響,水在狹小的通道內更容易凝聚:在分壓還沒達到飽和蒸氣壓的時候,水就凝聚了,這就是毛細凝聚現象。約150年前,物理學家威廉·湯姆遜(後來被冊封為開爾文勳爵)定量描述了凝聚壓強的變化,該理論後來被稱為開爾文方程。

然而,當通道直徑縮小到水分子大小相當的尺寸時,由於實驗觀測難度大,開爾文方程里採用的彎月面曲率、接觸角等概念難以被準確定義。如何在納米尺度下修正開爾文方程,一直是國際學界關心的問題。

近期,中英聯合研究團隊利用二維材料構築的納米通道器件開展實驗,他們巧妙地通過壁面變形來表征毛細凝聚現象,並對實驗結果和力學機理給出合理解釋。王奉超教授研究揭示了固液介面能的尺寸效應,發現了在納米或亞納米尺度的毛細凝聚中,是固液介面的力學作用在扮演重要角色,而不是人們普遍認為的液氣介面在起主導作用。

據此,他們建立了納米尺度下的毛細凝聚新理論,修正了經典的開爾文方程,並將方程適用性拓展到亞納米尺度。該研究不僅為理解極限尺度下毛細凝聚現象奠定了基礎,在微電子、製藥、食品等行業也具有重要應用前景。

12月10日,國際著名學術期刊《自然》發表了這項研究成果。

來源:新華網

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