中國科大在納米限域毛細凝聚理論研究取得重要突破

近日，中國科學技術大學工程科學學院中科院材料力學行為和設計重點實驗室王奉超教授與英國曼徹斯特大學、諾貝爾物理獎得主Andre Geim教授團隊合作，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。毛細凝聚普遍發生於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。

早在150年前，著名的英國科學家威廉·湯姆森（William Thomson，後來被冊封為開爾文勳爵）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，這是固液界面潤溼領域三大經典理論之一。數十年來，研究者致力於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，通道特徵尺寸與水分子大小相當，實驗觀測難度大，經典模型中採用的彎月面曲率、接觸角等概念難以準確定義，給理論分析帶來極大挑戰。

針對該問題，國際合作團隊利用二維材料構築的納米通道開展了實驗，基於通道壁面變形表徵了毛細凝聚。中國科學技術大學王奉超教授研究揭示了固液界面能的尺寸效應，修正了經典的開爾文方程，建立了納米限域毛細凝聚的新理論，對該極限尺度的最新實驗結果及其力學機理進行了合理解釋，闡述了固液界面力學作用在納米/亞納米尺度的毛細凝聚中扮演的重要角色，明確了經典理論方程中重要參數及邊界條件的微觀理解是介尺度固液界面科學研究的核心所在。

圖 限域空間中的毛細凝聚；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：實驗、理論及模擬。

納米限域毛細凝聚示意圖

這項介尺度科學研究成果不僅拓展了經典開爾文方程的適用範圍，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、製藥、食品和其他諸多行業具有非常重要的實際應用前景。中國科學技術大學王奉超教授是該論文的共同通訊作者，該研究得到了中科院B類先導專項和中科院青促會的資助。