中国科大在纳米限域毛细凝聚理论研究取得重要突破

毛细凝聚是指在限域空间内的气体，不必达到过饱和状态即可发生凝聚从而转变成液体的现象。毛细凝聚普遍发生于颗粒状物料和多孔介质中，可极大地改变固液界面处的吸附、润滑、摩擦和腐蚀等特性。毛细凝聚关联了宏观固液界面润湿和微观分子间力学作用，是纳米限域力学的关键科学问题，也是当前介尺度科学的国际前沿热点。 早在150年前，著名的英国科学家威廉·汤姆森（William Thomson，后来被册封为开尔文勋爵）从理论上描述了毛细管内弯曲的液气界面引起的蒸气压变化，被称为开尔文方程，这是固液界面润湿领域三大经典理论之一。数十年来，研究者致力于研究开尔文方程在纳米尺度的适用性问题。然而，在极端限域条件下，通道特征尺寸与水分子大小相当，实验观测难度大，经典模型中采用的弯月面曲率、接触角等概念难以准确定义，给理论分析带来极大挑战。 针对该问题，国际合作团队利用二维材料构筑的纳米通道开展了实验，基于通道壁面变形表征了毛细凝聚。我校王奉超教授研究揭示了固液界面能的尺寸效应，修正了经典的开尔文方程，建立了纳米限域毛细凝聚的新理论，对该极限尺度的最新实验结果及其力学机理进行了合理解释，阐述了固液界面力学作用在纳米/亚纳米尺度的毛细凝聚中扮演的重要角色，明确了经典理论方程中重要参数及边界条件的微观理解是介尺度固液界面科学研究的核心所在。