软萌动画带你看懂毛细凝聚 | 科技袁人

2022-07-22 09:07

导言：

毛细通道进一步缩小到纳米/亚纳米尺度，如何描述这个尺寸下的毛细凝聚现象呢？

■ 视频链接：

https://v.douyin.com/2PcY9Vg/

本视频发布于2022年6月4日，点赞量已达1948

■ 精彩呈现：

最近，中国科学技术大学科技传播系徐若雅同学等人制作的动画视频《原子尺度下的毛细凝聚》入选了科技部的“2020年度全国优秀科普微视频”（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/78145.htm）。这个视频介绍的是科大工程学院王奉超教授与2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·盖姆（Andre Geim）教授合作的成果——纳米限域毛细凝聚的新理论，论文发表在《Nature》上。

我在2020年就介绍过这项工作（诺奖得主盖姆为什么认为中国的基础研究仅次于美国？纳米限域毛细凝聚可以作为一个例子｜袁岚峰），说这项研究不仅为理解极限尺度下的毛细凝聚现象奠定了基础，而且在微电子、制药、食品等行业具有非常重要的实际应用前景。当时不少读者说看不懂，那么看了这个软萌的动画之后，你是不是就懂了呢？

· 以下为徐若雅动画的解说词·

你可能会注意到，水在玻璃杯壁处的液面要比中间略高一些，这是界面处表面张力的作用。水对玻璃是浸润的，也就是说，水和玻璃接触时，接触角为锐角，水更倾向于在玻璃表面铺展开来；相对的，水对荷叶就是不浸润的，水落在荷叶上时，会形成一个一个的小水珠。

对一杯水而言，弯曲界面的范围太小，几乎不会影响到水的性质，可以把水面当成平的来处理；但是当系统变小时，就会有很多有意思的事情发生。比如无处不在的毛细现象：浸润液体会在细管道内自发地向上爬升。钢笔的笔尖利用毛细作用引墨水。植物能生长也得益于毛细现象：土壤中的孔隙形成了天然的毛细管道，地下水顺着这些管道向上爬，才能被植物的根系所吸收；植物体内的导管也是毛细通道，将水逆着重力向上运输，让水参与植物的光和作用等生命活动。再比如，我们即将讨论的毛细凝聚现象。

在毛细作用下，水在玻璃管内爬升。玻璃管越细，水爬升越高。

水蒸气为什么会凝聚呢？我们可以简单认为，空气只能承载一定量的水蒸气，当空气中的水蒸气多到超过了一个临界点，多余的那部分只能从空气中跑出来，凝聚成水。我们可以用蒸气压表示气体的多少，水开始凝聚的临界压强叫做饱和蒸气压，我们说的相对湿度，就是当前水蒸气在空气中的分压和饱和蒸气压的比值。

对小的通道，情况又有不同：受表面张力和弯曲界面的影响，水在小通道内会更容易凝聚：在分压没到饱和蒸气压的时候，水就凝聚了，这就是毛细凝聚现象。凝聚压强的变化被科学家威廉·汤姆逊（后来被册封为开尔文勋爵）在150年前定量描述：知道通道的尺寸、液体和固体材料间的接触角，我们就能通过当前的温度、气液界面的表面张力系数等一系列常量算出新的凝聚压强。该理论后来被称为开尔文方程。这是一个描述宏观体系的方程，但是已经被证明可以精确描述尺寸在10纳米左右（约千分之一人类头发直径）的通道内的凝聚现象。

但毛细通道进一步缩小到纳米/亚纳米尺度，只有几个原子那么大，通道内可能只能容纳一两层水分子，“弯曲液面”不存在，没有曲率半径，开尔文方程就不适用了。如何描述这个尺寸下的毛细凝聚现象呢？带着这样的问题，中科大王奉超教授和2010年诺奖得主Andre Geim教授课题组合作，在用石墨烯搭建的纳米毛细通道里，测量了水的凝聚压强，并通过理论分析，给出了开尔文方程的新形式。

原子尺度下的物质难于直接观测，如何表征通道内是否发生凝聚呢？科学家想出了一个巧妙的方法：由于通道上下表面的相互作用，通道内没有水的时候，通道上壁面是向内凹的。当凝聚发生时，水“填充”进通道内，把壁面“顶”起来，这样，通道壁面的“变形”就消失了。这个变形可以通过原子力显微镜观测。在一个密闭容器中通入湿度不同的氮气，记录通道壁面的变形情况，就可以测定水的凝聚情况。

为了解释实验现象，王奉超教授认为，石墨烯通道内的毛细凝聚主要是因为固体和液体界面的相互作用。他放弃了原开尔文方程中弯液面的曲率半径、接触角等在微观尺度下无法准确定义的概念，转而考虑固液界面的相互作用。

传统的针对宏观体系的力学理论假定介质是连续的，因此固液界面能可以看成一个常数。但是微观尺度下，实验上已经观察到液体在固液交界处呈现明显的分层结构，连续介质假设未必仍然适用。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。该成果以Capillary condensation under atomic-scale confinement 为题于12月10日发表在 Nature 上。

毛细凝聚现象在在微电子、制药、食品和其他诸多行业中都非常重要。这次突破将加深我们对毛细凝聚现象机理的理解，进而可能在多个领域具有非常重要的实际应用前景。

“经典力学理论已经在宏观尺度上对固液体系给出了优美的描述，但在微观尺度上还缺乏普遍适用性；我们希望可以继续研究，对微观世界的固液界面现象也给出合理的解释。”王教授说。

■ 扩展阅读：

中国科大在纳米限域毛细凝聚理论研究取得重要突破

诺奖得主盖姆为什么认为中国的基础研究仅次于美国？纳米限域毛细凝聚可以作为一个例子｜袁岚峰

■ 作者简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

■ 责任编辑：KK.

关注风云之声提升思维层次

微信扫码关注该文公众号作者

戳这里提交新闻线索和高质量文章给我们。

来源: qq

点击查看作者最近其他文章