毛細(xì)凝聚是指在限域空間內(nèi)的氣體，不必達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)即可發(fā)生凝聚從而轉(zhuǎn)變成液體的現(xiàn)象。
在自然界和工業(yè)生產(chǎn)中，水的毛細(xì)凝聚現(xiàn)象無(wú)處不在。毛細(xì)凝聚通常發(fā)生在顆粒狀和多孔介質(zhì)中，可以改變物質(zhì)的粘合、潤(rùn)滑、摩擦和腐蝕等特性，在微電子器件、制藥、食品等行業(yè)的諸多過(guò)程中具有重要意義。
1875年，英國(guó)科學(xué)家威廉·湯姆森提出開爾文方程，從理論上描述了毛細(xì)管內(nèi)彎曲的液氣界面引起的蒸氣壓變化。經(jīng)過(guò)大量理論和實(shí)踐證明，開爾文方程對(duì)直徑小至幾納米的納米液體都適用。
然而，對(duì)于尺寸更小的極端限域的環(huán)境濕度下，當(dāng)限域尺寸與水分子的大小相當(dāng)時(shí)，開爾文方程還能使用嗎？
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Andre Geim教授長(zhǎng)期致力于基于石墨烯的納米限域流體研究。今日，Andre Geim教授和中科大王奉超教授等人合作，進(jìn)一步揭示了納米限域毛細(xì)凝聚理論的新進(jìn)展。
基于晶態(tài)二維材料的范德華作用，研究人員成功構(gòu)筑了原子尺度的毛細(xì)通道，最下尺度達(dá)到0.4 nm，水分子只能以單層形式存在。基于這樣的原子尺度限域通道，研究人員對(duì)其中的凝聚現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。
令人驚訝的是，即使在這種情況下，開爾文方程依然能夠適用于強(qiáng)親水性（云母）毛細(xì)管中的縮合轉(zhuǎn)變，并且在弱親水性（石墨）毛細(xì)管仍然有效（從定性角度）。研究人員認(rèn)為，這種現(xiàn)象是偶然的，可以歸因于毛細(xì)管壁的彈性變形，抑制了原子尺度毛細(xì)通道與水分子之間所期望的巨大振蕩行為。
納米限域毛細(xì)凝聚示意圖
圖片來(lái)源：中科大新聞網(wǎng)，美術(shù)設(shè)計(jì)：馬子頌、梁琰
這項(xiàng)工作為深入理解毛細(xì)效應(yīng)和原子尺度限域行為提供了新的見(jiàn)解，并使得具有150年歷史的開爾文方程的適用性得到進(jìn)一步拓展。
參考文獻(xiàn)：
QianYang et al. Capillary condensation under atomic-scale confinement. Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1
