修正經典開爾文方程！中國科大建立納米限域毛細凝聚新理論

央廣網合肥12月10日消息（記者劉軍 通訊員陳奕均、劉源渤）記者10日從中國科學技術大學獲悉，該校王奉超教授與諾貝爾物理獎得主、英國曼徹斯特大學安德烈·海姆教授團隊合作，在納米尺度下修正了經典開爾文方程，並在納米限域毛細凝聚研究方面建立了新理論。研究成果以刊登在12月10日出版的國際著名學術期刊《自然》上。

水分子（紅色）在石墨烯通道（灰色）內發生凝聚後，通道的變形消失。（製圖：王奉超）

據了解，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。

納米限域毛細凝聚示意圖（美術設計：馬子頌，梁琰）

此次，由中、英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。

值得一提的是，中國科學技術大學計算力學團隊自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，該團隊還將繼續在這一領域開展新的探索。