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                    《科學通報》

                    開博時間:2019-09-06 16:50:00

                    《科學通報》是主要報道自然科學各學科基礎理論和應用研究方面具有創新性、高水平和重要意義的研究成果。報道及時快速,文章可讀性強,力求在比較寬泛的學術領域產生深刻影響。

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                    納米限域毛細凝聚

                    2021-03-09 16:52:00

                      1.毛細凝聚,見微知著

                      毛細凝聚是指在限域毛細通道內的氣體,不必達到過飽和狀態即可發生凝聚從而轉變成液體的現象。水蒸氣為什么會凝聚呢?我們可以簡單認為,空氣只能承載一定量的水蒸氣,當空氣中的水蒸氣多到超過一個臨界點,多余的那部分會從空氣中跑出來,凝聚成水。對小的通道,情況又有不同:受表面張力和彎曲界面的影響,水在小通道內會更容易凝聚:沒達到飽和蒸氣壓的時候,水就凝聚了。

                      早在150年前,著名的英國科學家威廉· 湯姆森(William Thomson,后來被冊封為開爾文勛爵)從理論上描述了毛細管內彎曲的液氣界面引起的蒸氣壓變化,被稱為開爾文方程,這是固液界面潤濕領域三大經典理論之一[1]。這是一個描述宏觀體系的方程,但是已經被證明可以描述尺寸在10 nm左右(約人類頭發直徑的千分之一)的通道內的凝聚現象。數十年來,研究者致力于研究開爾文方程在納米尺度的適用性問題。然而,在極端限域條件下,通道特征尺寸與水分子大小相當,實驗觀測難度大,經典模型中采用的彎月面曲率、接觸角等概念難以準確定義,給理論分析帶來極大挑戰。

                      近日,中國科學技術大學王奉超與英國曼徹斯特大學諾貝爾物理獎得主安德烈·海姆團隊合作,在納米限域毛細凝聚研究方面取得了重要進展,研究成果發表在Nature上[2]。

                      2.百年理論,限域應用

                      毛細通道進一步縮小到納米/亞納米尺度時,只有幾個原子那么大,即“限域系統”。此時,通道內可能只能容納一兩層水分子,“彎曲液面”不存在,沒有曲率半徑,開爾文方程就不適用了。如何描述這個尺寸下的毛細凝聚現象呢?中英合作團隊在用石墨烯搭建的納米毛細通道里,測量了水的凝聚壓強。由于通道高度只有幾層石墨烯厚,上下壁面間存在的相互作用——范德華力,使得通道的上壁面在通道內沒有水時會向內凹。當凝聚發生時,水“填充”進通道內,把壁面“頂”起來,這樣,通道壁面的“變形”就消失了。這個變形可以通過原子力顯微鏡觀測。

                      為了解釋實驗現象,研究者在理論分析中放棄了原方程中彎液面的曲率半徑、接觸角等在微觀尺度下無法準確定義的概念,認為石墨烯通道內的毛細凝聚主要是因為固液界面間的相互作用。在傳統的針對宏觀系統的力學理論體系及下,介質被假定為連續的,即水的密度處處是常數,固液界面能一般也被認為是一個常數。但在是微觀尺度下,在固液交界處的液體呈現出明顯的分層結構,連續介質假設未必仍然適用。極端限域條件下,為了適應毛細通道的空間大小,近壁面處受限水有序結構重排會導致固液界面能的尺寸效應。意識到固液界面的相互作用能會改變后,研究者通過理論推導,將開爾文方程在介觀尺度下重寫?;谛路匠踢M行的計算機模擬和實驗結果吻合良好,表明修正后的開爾文方程可以定量描述納米限域毛細凝聚現象。

                      3.結語

                      毛細凝聚普遍發生于顆粒狀物料和多孔介質中,可極大地改變固液界面處的吸附、潤滑、摩擦和腐蝕等特性。毛細凝聚關聯了宏觀固液界面潤濕和微觀分子間力學作用,是納米限域力學的關鍵科學問題,也是當前介尺度科學的國際前沿熱點。這項研究成果不僅拓展了經典開爾文方程的適用范圍,為理解納米限域毛細凝聚提供了關鍵的理論基礎,而且在微電子、制藥、食品和其他諸多行業具有非常重要的實際應用前景。固液界面在自然界和人們日常生活中無處不在,如宋詞“葉上初陽干宿雨”勾勒出的荷葉表面水滴蒸發,以及“精茗蘊香,借水而發”所描繪的傳統飲茶文化。在學術研究和實際工業生產過程中,普遍都涉及到固液界面,而其中的力學問題被認為是研究的難點和重點。經典力學理論已經在宏觀尺度上對固液體系給出了優美的描述,但在微觀尺度上還缺乏普遍適用性;我們希望可以繼續研究,對微觀世界的固液界面現象也給出合理的解釋。

                    文/王奉超,蔣朋岑,范瓊

                    本文來自《科學通報》

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