安德烈·海姆（Andre K. Geim），俄羅斯裔英國籍物理學家，因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」而與其學生康斯坦丁·諾沃肖洛夫一同獲得2010年諾貝爾物理學獎，2013年獲得科普利獎，現為曼徹斯特介觀科學與納米科技研究中心主任、曼徹斯特大學教授。
海姆所率領的研究團隊，最近又解決了物理學中的一個150年的方程式難題，該最新研究結果論文，題為：「原子尺度限制下的毛細管冷凝」，發表在這一期的《自然》雜誌上。
該研究團隊與論文作者中有四位中國研究學者，包括論文第一作者楊前（Qian Yang）。
水的毛細管冷凝在自然界和技術中無處不在。它通常發生在顆粒狀和多孔性介質中，可以極大地改變諸如粘合、潤滑、摩擦、和腐蝕等特性，並且在微電子、製藥、食品、和其他行業使用的許多過程中都很重要。
具有150年歷史的開爾文方程式通常用於描述冷凝現象，並且已被證明對直徑小至幾納米的液體彎月面非常適用。對於甚至更小的毛細管，這些毛細管在環境溼度下會發生凝結，因此具有特別的實用價值，由於所需的限制變得與水分子的大小相當，因此開爾文方程式有望被打破。
該研究團隊使用二維晶體的範德華裝置來創建原子級毛細管，並研究其中的凝聚。所用的最小的毛細管高度不到4埃（ngstrms，1埃=10^–10米= 0.1奈米），只能容納單層原子尺度的水。
出乎意料的是，即使在這種尺度下，研究人員也發現利用大量水的特徵的宏觀開爾文方程式，準確地描述了在強親水性毛細管中的縮合轉變，並且對於弱親水性（石墨）毛細管仍然在質量上有效。
研究表明，這種性質可歸因於毛細管壁的彈性變形，它抑制了原子級毛細管與水分子之間的可比性所期望的巨大振蕩行為。該研究結果為更好地了解毛細血管效應提供了基礎，這可在許多現實情況下都非常重要的領域內發揮重要作用。
舉例來講，在海灘上建造沙堡，儘管基本的基礎物理學是眾所周知的，但在過去十多年時間裡，物理學家仍繼續對這種引人入勝的粒狀材料獲得新的見解。這一最新突破解決了這一問題。
製造沙堡所需的全部只是沙子和水。水就像一種膠，通過毛細作用力將沙粒保持在一起。研究表明，建造結構合理的沙堡的理想比例是每八桶沙子中有一桶水。
在2008年，物理學家就深入研究為什麼沙子在變溼時會變粘。通過使用X射線顯微照相技術拍攝了溼玻璃珠的3D圖像，其形狀和大小與沙粒相似。當他們將液體添加到乾燥的粒子中時，觀察到了各個粒子之間形成的液體「毛細管橋」。添加更多的液體會使橋變得更大，並且這種情況發生時，粒胎圈表面會與更多的水接觸，從而進一步增加了粘合效果。但是，隨著橋結構的增大，毛細作用力的相應減小抵消了增加的結合作用。該研究得出結論，即使水分含量發生變化，將粒子粘合在一起的力也不會改變。
從數學上講，這種毛細管冷凝現象，即環境空氣中的水蒸氣將如何在多孔材料內部或接觸表面之間自發冷凝，通常由1871年開爾文所提出的方程式描述。儘管這是一個宏觀方程，但事實證明，精確到10納米尺度都非常精確，但是缺乏能說明甚至更小的尺度的完整描述，這使物理學家長期感到沮喪。
這種冷凝的典型溼度在30％到50％之間，但是在1納米或更小的分子尺度（水分子的直徑約為0.3納米）下，在1納米內只能容納一到兩個分子層的水毛細血管。在這樣的尺度下，開爾文方程似乎沒有意義。這對於建造沙堡可能並不重要，但是毛細管冷凝也與許多微電子、製藥和食品加工行業有關。該研究找到了一種克服長期研究分子規模毛細管實驗挑戰的方法。
論文第一作者楊前表示：「這真是一個很大的驚喜。我期望傳統物理學會徹底崩潰。」 「原來的方程式行之有效。最終解決百年之謎的過程有點令人失望，但也令人興奮。因此，我們可以放輕鬆，所有這些冷凝效應和相關特性現在都得到了有力的證據支持，而不是憑直覺似乎有效而可以使用公式。」
海姆說：「好的理論常常超出其適用範圍。」 「開爾文勳爵是一位傑出的科學家，做出了許多發現，但即使他也一定會驚訝地發現，他的理論，最初考慮的是毫米級的管子，甚至可以保持在一個原子級別上。事實上，開爾文在開創性論文中評論到正是這種可能性。所以我們的工作同時證明了他的是與非。」
參考：Capillary condensation under atomic-scale confinement,Nature(2020).DOI: 10.1038/s41586-020-2978-1,www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1