海灘沙堡原理終揭曉

海灘沙堡。

空氣中的水蒸氣在多孔材料內部或接觸面間會自發凝結，這種現象被稱為「毛細凝結」。它在生活中無處不見，會影響摩擦、吸附及潤滑等諸多特性，對微電子、製藥和食品等種種工業過程也有重要價值——如果毛細凝結消失，兒童甚至無法在海灘上堆砌沙堡。不過，由於液體層只有幾個分子的厚度，研究人員對這一重要現象還缺乏深刻理解。

當地時間12月9日，《自然》雜誌發文稱，在諾貝爾獎得主Andre Geim的領導下，英國曼徹斯特大學的研究人員製造出了微型人造毛細管，可以在正常環境條件下讓水蒸氣在管內凝結。

該研究解答了縈繞半個世紀之久的毛細凝結之謎——為什麼宏觀方程和宏觀特性可以用於描述僅涉及少量水分子層的基本微觀現象？這是巧合還是隱藏的自然法則？

科學家一般用150年前的開爾文方程描述毛細凝結現象。種種證據證明，描述非常精確，甚至適用於10納米級毛細管。

然而，如果要在30%~50%的正常溼度下發生凝結，毛細管理應更細（約1納米）。這與水分子直徑（0.3納米左右）相當，只有兩三個水分子能進入毛細管孔隙中。

因此，有觀點認為，宏觀開爾文方程無法用於描述分子尺度的性質。事實上，該方程在這個尺度上幾乎毫無意義。

受表面處理工藝影響，科學家們此前一直無法製造出分子尺度的毛細管。為了製造符合要求的毛細管，曼徹斯特大學的研究人員煞費苦心地組裝了雲母和石墨的原子平面晶體。

他們將兩個晶體相互疊加，中間夾上另一個原子厚度的扁平晶體——石墨烯窄條。窄條充當間隔物，可以調整厚度。最終製成的最小毛細管只能容納一層水分子。

Geim等證實，對於最細毛細管中的毛細凝結現象，開爾文方程依舊適用（至少在描述特性時適用）。這個結論令人驚訝，因為它與一般預期相悖——水在這個尺度上會發生性質變化，其結構會出現明顯的分離和層化。

論文作者Qian Yang博士說：「我原以為常規物理學會徹底崩潰。然而，我們的研究表明，舊方程依舊有效。現在，所有那些與凝結效應有關的問題，都有了確鑿的支撐證據。」

不過，研究人員也表示，這次開爾文方程成立也具有一定偶然性。在環境溼度下，毛細凝結產生的壓強超過1000巴，比海洋最深處壓強還高。這種超高壓會導致毛細管在極其微觀的層面調整尺寸，以容納管內數個分子層。這種微觀調整抑制了可公度性影響，從而維持了開爾文方程的有效性。

Geim評價說：「好的理論，往往能超越其適用性限制。我們的發現證實，開爾文方程是對錯兼有的。」

編譯：德克斯特 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《自然》

期刊編號：0028-0836

原文連結：https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201209115215.htm

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