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2020年12月10日
中国科大在纳米限域毛细凝聚理论研究取得重要突破

近日,我校工程科学学院中科院材料力学行为和设计重点实验室王奉超教授与英国曼彻斯特大学、诺贝尔物理奖得主Andre Geim教授团队合作,在纳米限域毛细凝聚研究方面取得了重要进展。研究成果以“Capillary condensation under atomic-scale confinement”为题刊登在12月10日出版的国际著名学术期刊《自然》上。

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。

图 限域空间中的毛细凝聚;纳米通道器件及实验观测示意;纳米通道横截面的STEM图;发生毛细凝聚的临界相对湿度的尺寸效应:实验、理论及模拟。

纳米限域毛细凝聚示意图

美术设计:马子颂、梁琰

这项介尺度科学研究成果不仅拓展了经典开尔文方程的适用范围,为理解纳米限域毛细凝聚提供了关键的理论基础,而且在微电子、制药、食品和其他诸多行业具有非常重要的实际应用前景。我校王奉超教授是该论文的共同通讯作者,该研究得到了中科院B类先导专项和中科院青促会的资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1


(中国科学院材料力学行为和设计重点实验室、工程科学学院、科研部)

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