海滩沙堡原理终揭晓学术资讯

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海滩沙堡。

空气中的水蒸气在多孔材料内部或接触面间会自发凝结，这种现象被称为“毛细凝结”。它在生活中无处不见，会影响摩擦、吸附及润滑等诸多特性，对微电子、制药和食品等种种工业过程也有重要价值——如果毛细凝结消失，儿童甚至无法在海滩上堆砌沙堡。不过，由于液体层只有几个分子的厚度，研究人员对这一重要现象还缺乏深刻理解。

当地时间12月9日，《自然》杂志发文称，在诺贝尔奖得主Andre Geim的领导下，中国科学技术大学、西南交通大学和英国曼彻斯特大学的研究人员制造出了微型人造毛细管，可以在正常环境条件下让水蒸气在管内凝结。

该研究解答了萦绕半个世纪之久的毛细凝结之谜——为什么宏观方程和宏观特性可以用于描述仅涉及少量水分子层的基本微观现象？这是巧合还是隐藏的自然法则？

科学家一般用150年前的开尔文方程描述毛细凝结现象。种种证据证明，描述非常精确，甚至适用于10纳米级毛细管。

然而，如果要在30%~50%的正常湿度下发生凝结，毛细管理应更细（约1纳米）。这与水分子直径（0.3纳米左右）相当，只有两三个水分子能进入毛细管孔隙中。

因此，有观点认为，宏观开尔文方程无法用于描述分子尺度的性质。事实上，该方程在这个尺度上几乎毫无意义。

受表面处理工艺影响，科学家们此前一直无法制造出分子尺度的毛细管。为了制造符合要求的毛细管，曼彻斯特大学的研究人员煞费苦心地组装了云母和石墨的原子平面晶体。

他们将两个晶体相互叠加，中间夹上另一个原子厚度的扁平晶体——石墨烯窄条。窄条充当间隔物，可以调整厚度。最终制成的最小毛细管只能容纳一层水分子。

Geim等证实，对于最细毛细管中的毛细凝结现象，开尔文方程依旧适用（至少在描述特性时适用）。这个结论令人惊讶，因为它与一般预期相悖——水在这个尺度上会发生性质变化，其结构会出现明显的分离和层化。

论文作者Qian Yang博士说：“我原以为常规物理学会彻底崩溃。然而，我们的研究表明，旧方程依旧有效。现在，所有那些与凝结效应有关的问题，都有了确凿的支撑证据。”

不过，研究人员也表示，这次开尔文方程成立也具有一定偶然性。在环境湿度下，毛细凝结产生的压强超过1000巴，比海洋最深处压强还高。这种超高压会导致毛细管在极其微观的层面调整尺寸，以容纳管内数个分子层。这种微观调整抑制了可公度性影响，从而维持了开尔文方程的有效性。

Geim评价说：“好的理论，往往能超越其适用性限制。我们的发现证实，开尔文方程是对错兼有的。”

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