雨滴落在荷葉上為何會(huì)形成小水珠?墨水為何會(huì)被引導(dǎo)到鋼筆的筆尖上?水在不同的介質(zhì)與環(huán)境下表現(xiàn)出多種特性。近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王奉超教授與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆教授及其團(tuán)隊(duì)合作，研究揭示了固液界面能的尺寸效應(yīng)，修正了物理學(xué)中經(jīng)典的開(kāi)爾文方程，建立了納米尺度下的毛細(xì)凝聚新理論。
受表面張力和彎曲界面的影響，水在狹小的通道內(nèi)更容易凝聚：在分壓還沒(méi)達(dá)到飽和蒸氣壓的時(shí)候，水就凝聚了，這就是毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。約150年前，物理學(xué)家威廉·湯姆遜(后來(lái)被冊(cè)封為開(kāi)爾文勛爵)定量描述了凝聚壓強(qiáng)的變化，該理論后來(lái)被稱(chēng)為開(kāi)爾文方程。
然而，當(dāng)通道直徑縮小到水分子大小相當(dāng)?shù)某叽鐣r(shí)，由于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)難度大，開(kāi)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。如何在納米尺度下修正開(kāi)爾文方程，一直是國(guó)際學(xué)界關(guān)心的問(wèn)題。
近期，中英聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用二維材料構(gòu)筑的納米通道器件開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，他們巧妙地通過(guò)壁面變形來(lái)表征毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和力學(xué)機(jī)理給出合理解釋。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)了在納米或亞納米尺度的毛細(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，他們建立了納米尺度下的毛細(xì)凝聚新理論，修正了經(jīng)典的開(kāi)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)象奠定了基礎(chǔ)，在微電子、制藥、食品等行業(yè)也具有重要應(yīng)用前景。
12月10日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了這項(xiàng)研究成果。
