中國科大在納米限域毛細(xì)凝聚理論研究取得重要突破

中國教育報—中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢宇 通訊員 范瓊）近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王奉超教授與諾貝爾物理獎得主、英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆教授團(tuán)隊合作，在納米限域毛細(xì)凝聚研究方面取得了重要進(jìn)展。研究成果于12月10日出版在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

毛細(xì)凝聚是指在毛細(xì)通道限域空間內(nèi)的氣體，不必達(dá)到過飽和狀態(tài)即可發(fā)生凝聚從而轉(zhuǎn)變成液體的現(xiàn)象。毛細(xì)凝聚關(guān)聯(lián)了宏觀固液界面潤濕和微觀分子間力學(xué)作用，是納米限域力學(xué)的關(guān)鍵科學(xué)問題，也是當(dāng)前介尺度科學(xué)的國際前沿?zé)狳c。

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，被認(rèn)為是固液界面潤濕領(lǐng)域三大經(jīng)典理論之一。然而，當(dāng)通道直徑縮小到水分子大小相當(dāng)?shù)某叽鐣r，由于實驗觀測難度大，開爾文方程里采用的彎月面曲率、接觸角等概念難以被準(zhǔn)確定義，而如何在納米尺度下修正開爾文方程，一直是研究者們關(guān)心的問題。

此次，由中、英國兩國組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊利用二維材料構(gòu)筑的納米通道器件開展實驗，巧妙地通過壁面變形來表征毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，并對實驗結(jié)果和力學(xué)機(jī)理給出合理解釋。

中國科大王奉超教授研究揭示了固液界面能的尺寸效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了在納米/亞納米尺度的毛細(xì)凝聚中，是固液界面的力學(xué)作用在扮演重要的角色，而不是人們普遍認(rèn)為的液氣界面在起主導(dǎo)作用。據(jù)此，他們建立了納米限域毛細(xì)凝聚的新理論，修正了經(jīng)典的開爾文方程，并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(xì)凝聚現(xiàn)象的認(rèn)知和理解奠定了基礎(chǔ)，而且在微電子、制藥、食品等行業(yè)具有非常重要的實際應(yīng)用前景。

值得一提的是，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算力學(xué)團(tuán)隊自2010年和英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆教授實驗團(tuán)隊開始合作，過去十年已累計在《自然》和《科學(xué)》發(fā)表十篇學(xué)術(shù)論文，不僅開辟了石墨烯納米限域傳質(zhì)這一世界科技前沿新領(lǐng)域，而且一直是這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。接下來，他們還將繼續(xù)在這一領(lǐng)域開展新的探索。