中国科大在纳米限域毛细凝聚理论研究取得重要突破

来源：中国科学技术大学

近日，中国科学技术大学王奉超教授与英国曼彻斯特大学教授、诺贝尔物理奖得主安德烈·海姆团队合作，在纳米限域毛细凝聚研究方面取得了重要进展。研究成果以“Capillary condensation under atomic-scale confinement”为题刊登在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。

图：纳米限域毛细凝聚；纳米通道器件及实验观测示意；纳米通道横截面的STEM图；发生毛细凝聚的临界相对湿度的尺寸效应的实验、理论及模拟。

此次，由中、英国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。中国科大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。

该研究不仅为理解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。

图：纳米限域毛细凝聚示意图。石墨烯纳米通道器件壁面的变形（上）和纳米限域毛细凝聚（下） 美术设计：马子颂，梁琰

图 ：王奉超教授在实验室（拍摄 马潇汉、杨建瑞、杨烁）

值得一提的是，我校计算力学团队自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，过去十年已累计在《自然》和《科学》发表十篇学术论文，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。接下来，他们还将继续在这一领域开展新的探索。