中外学者将经典开尔文方程适用性拓展到亚纳米尺度

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  记者从中国科学技术大学获悉,该校王奉超教授与诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授团队合作,在纳米限域毛细凝聚研究方面取得了重要进展。研究成果刊登在12月10日出版的国际著名学术期刊《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。开尔文方程从理论上描述了毛细管内弯曲的液气界面引起的蒸气压变化,被认为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,而如何在纳米尺度下修正开尔文方程,一直是研究者们关心的问题。

  此次,由中、英两国组成的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。王奉超教授研究揭示了固液界面能的尺寸效应,发现了在纳米/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的角色,而不是人们普遍认为的液气界面在起主导作用。

  据此,他们建立了纳米限域毛细凝聚的新理论,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。该研究成果不仅为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。

  值得一提的是,中国科学技术大学计算力学团队自2010年和英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授实验团队开始合作起,过去十年已累计在《自然》和《科学》发表学术论文10篇,不仅开辟了石墨烯纳米限域传质这一世界科技前沿新领域,而且一直是这一领域的领导者。

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