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近日，我校工程科學(xué)學(xué)院中科院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王奉超教授與英國曼徹斯特大學(xué)、諾貝爾物理獎得主Andre Geim教授團(tuán)隊(duì)合作，在納米限域毛細(xì)凝聚研究方面取得了重要進(jìn)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(xué)術(shù)期刊《自然》上。

毛細(xì)凝聚是指在限域空間內(nèi)的氣體，不必達(dá)到過飽和狀態(tài)即可發(fā)生凝聚從而轉(zhuǎn)變成液體的現(xiàn)象。毛細(xì)凝聚普遍發(fā)生于顆粒狀物料和多孔介質(zhì)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(xì)凝聚關(guān)聯(lián)了宏觀固液界面潤濕和微觀分子間力學(xué)作用，是納米限域力學(xué)的關(guān)鍵科學(xué)問題，也是當(dāng)前介尺度科學(xué)的國際前沿?zé)狳c(diǎn)。

早在150年前，著名的英國科學(xué)家威廉·湯姆森（William Thomson，后來被冊封為開爾文勛爵）從理論上描述了毛細(xì)管內(nèi)彎曲的液氣界面引起的蒸氣壓變化，被稱為開爾文方程，這是固液界面潤濕領(lǐng)域三大經(jīng)典理論之一。數(shù)十年來，研究者致力于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，通道特征尺寸與水分子大小相當(dāng)，實(shí)驗(yàn)觀測難度大，經(jīng)典模型中采用的彎月面曲率、接觸角等概念難以準(zhǔn)確定義，給理論分析帶來極大挑戰(zhàn)。

針對該問題，國際合作團(tuán)隊(duì)利用二維材料構(gòu)筑的納米通道開展了實(shí)驗(yàn)，基于通道壁面變形表征了毛細(xì)凝聚。我校王奉超教授研究揭示了固液界面能的尺寸效應(yīng)，修正了經(jīng)典的開爾文方程，建立了納米限域毛細(xì)凝聚的新理論，對該極限尺度的最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了合理解釋，闡述了固液界面力學(xué)作用在納米/亞納米尺度的毛細(xì)凝聚中扮演的重要角色，明確了經(jīng)典理論方程中重要參數(shù)及邊界條件的微觀理解是介尺度固液界面科學(xué)研究的核心所在。

圖 限域空間中的毛細(xì)凝聚；納米通道器件及實(shí)驗(yàn)觀測示意；納米通道橫截面的STEM圖；發(fā)生毛細(xì)凝聚的臨界相對濕度的尺寸效應(yīng)：實(shí)驗(yàn)、理論及模擬。

納米限域毛細(xì)凝聚示意圖

美術(shù)設(shè)計：馬子頌、梁琰

這項(xiàng)介尺度科學(xué)研究成果不僅拓展了經(jīng)典開爾文方程的適用范圍，為理解納米限域毛細(xì)凝聚提供了關(guān)鍵的理論基礎(chǔ)，而且在微電子、制藥、食品和其他諸多行業(yè)具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用前景。我校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(dǎo)專項(xiàng)和中科院青促會的資助。

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

（中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程科學(xué)學(xué)院、科研部）