中國科大納米限域毛細凝聚理論研究成果登《自然》

2020-12-10 中國科大新創基金會

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近日，中國科學技術大學王奉超教授（0305校友）與英國曼徹斯特大學教授、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。研究成果以「Capillary condensation under atomic-scale confinement」為題刊登在12月10日出版的國際著名學術期刊《自然》上。

毛細凝聚是指在毛細通道限域空間內的氣體，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。毛細凝聚關聯了宏觀固液界面潤溼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。開爾文方程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，被認為是固液界面潤溼領域三大經典理論之一。然而，當通道直徑縮小到水分子大小相當的尺寸時，由於實驗觀測難度大，開爾文方程裡採用的彎月面曲率、接觸角等概念難以被準確定義，而如何在納米尺度下修正開爾文方程，一直是研究者們關心的問題。

圖：納米限域毛細凝聚；納米通道器件及實驗觀測示意；納米通道橫截面的STEM圖；發生毛細凝聚的臨界相對溼度的尺寸效應的實驗、理論及模擬。

此次，由中、英國兩國組成的聯合研究團隊利用二維材料構築的納米通道器件開展實驗，巧妙地通過壁面變形來表徵毛細凝聚現象，並對實驗結果和力學機理給出合理解釋。中國科大王奉超教授研究揭示了固液界面能的尺寸效應，發現了在納米/亞納米尺度的毛細凝聚中，是固液界面的力學作用在扮演重要的角色，而不是人們普遍認為的液氣界面在起主導作用。據此，他們建立了納米限域毛細凝聚的新理論，修正了經典的開爾文方程，並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凝聚現象的認知和理解奠定了基礎，而且在微電子、製藥、食品等行業具有非常重要的實際應用前景。

圖：納米限域毛細凝聚示意圖。石墨烯納米通道器件壁面的變形（上）和納米限域毛細凝聚（下） 美術設計：馬子頌，梁琰

圖 ：王奉超教授在實驗室（拍攝 馬瀟漢、楊建瑞、楊爍）

值得一提的是，我校計算力學團隊自2010年和英國曼徹斯特大學安德烈·海姆教授實驗團隊開始合作，過去十年已累計在《自然》和《科學》發表十篇學術論文，不僅開闢了石墨烯納米限域傳質這一世界科技前沿新領域，而且一直是這一領域的領導者。接下來，他們還將繼續在這一領域開展新的探索。

誰是王奉超？

中國科學技術大學近代力學系，特任教授、博士生導師。2007年本科畢業於中國科學技術大學近代力學系，2012年博士畢業於中國科學院力學研究所，之後在中國科學技術大學近代力學系從事博士後研究並留校工作。曾在英國曼徹斯特大學物理與天文學系諾貝爾獎得主Andre Geim教授課題組進行學術訪問。主要從事微納尺度固液界面力學問題研究，研究內容包括：界面潤溼、納米流動、受限液體以及非常規油氣資源開發中限域傳質的微觀力學機理。研究成果已發表在Nature、Science、Physical Review Letters等期刊上，已發表SCI論文60餘篇，他引3000餘次。先後主持國家自然科學基金青年基金1項，面上項目2項。入選中國科協青年人才託舉工程，是中國科學院青年創新促進會會員，2019年獲得國家自然科學基金委優秀青年基金資助。

論文連結:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1

新聞來源：中國科學技術大學微信公眾號

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