终于理解了用“开尔文方程式”神秘地解释了150年的沙堡建造科学

来自周围空气的水蒸气会自发凝结在多孔材料内部或接触表面之间。但是，由于液体层只有几个分子的厚度，这种普遍存在的重要现象至今仍未得到人们的理解。

由诺贝尔奖获得者安德烈·吉姆（Andre Geim）领导的曼彻斯特大学的研究人员，使科斯蒂亚·诺沃塞洛夫（Kostya Novoselov）于本月10年前获得了诺贝尔物理学奖。 。

曼彻斯特研究的标题为“原子级约束下的毛细管缩合”，将发表在《自然》杂志上。该研究为一个世纪半的难题提供了一个解决方案，即为什么可以使用宏观方程和大量水的宏观特征合理地描述毛细管凝结（一种基本的微观现象，涉及几个分子层的水）。它是自然的巧合还是暗藏的规律？

毛细血管凝结是一种教科书现象，在我们周围的世界无处不在，毛细凝结强烈影响摩擦，粘附，静摩擦，润滑和腐蚀等重要性能。这种现象在微电子，制药，食品和其他行业使用的许多技术过程中都很重要-甚至如果没有毛细管凝结，儿童甚至都无法建造沙堡。

从科学上讲，这种现象通常用已有150年历史的开尔文（Kelvin）方程来描述，该方程甚至被证明对甚至只有10纳米（人发宽度的千分之一）的毛细管也非常精确。尽管如此，为了使凝结在正常湿度（例如30％到50％）下发生，毛细管应该小得多，大小约为1 nm。这可与水分子的直径（约0.3 nm）相媲美，因此只有两个分子层的水可以容纳在这些孔中，这些孔负责常见的缩合作用。

宏观开尔文方程式不能用来描述涉及分子尺度的性质，实际上，该方程式在这种尺度下意义不大。例如，如果弯液面只有几个分子宽，则不可能定义进入方程的水弯液面的曲率。因此，由于缺乏适当的描述，开尔文方程式已被用作穷人的方法。科学进步受到许多实验问题的阻碍，特别是由于表面粗糙度使得难以制造和研究所需分子大小的毛细管变得困难。

为了制造这种毛细管，曼彻斯特的研究人员精心地组装了云母和石墨原子扁平的晶体。他们将两个这样的晶体彼此叠放在一起，并在其间放置了窄条石墨烯，另一条原子薄而扁平的晶体。这些条充当隔离物并且可以具有不同的厚度。该三层组件允许各种高度的毛细管。其中一些只有一个原子高，是可能的最小毛细管，并且只能容纳一层水分子。

曼彻斯特的实验表明，开尔文方程式甚至可以在最小的毛细管中描述毛细血管的凝结。这不仅令人惊讶，而且与一般预期相矛盾，因为水在此规模上会改变其特性，并且其结构会变得明显离散和分层。

“这是一个很大的惊喜。我期望传统物理学会彻底崩溃。”《自然》报告的主要作者钱扬博士说。“原来的方程式效果很好。最终解决百年之谜的过程有些令人失望，但也令人兴奋。

“因此我们可以放松，所有这些冷凝效应和相关特性现在都得到了确凿的证据的支持，而不是凭直觉'似乎行得通，因此可以使用方程式。”

曼彻斯特大学的研究人员认为，所达成的协议虽然是定性的，但也是偶然的。在环境湿度下，毛细管凝结所涉及的压力超过1,000巴，比最深海底部的压力还要高。这种压力使毛细管将其大小调整了几分之一埃，这足以紧密地容纳内部的整数个分子层。这些微观调整抑制了可通性的影响，使开尔文方程式能够很好地适用。

吉姆说：“好的理论常常超出其适用范围。”

“开尔文勋爵是一位杰出的科学家，做出了许多发现，但即使他也一定会惊讶地发现，他的理论（最初考虑的是毫米尺寸的管）甚至在一个原子尺度上也能成立。实际上，开尔文（Kelvin）在他的开创性论文中评论了这种可能性。

“因此，我们的工作同时证明了他的对与错。”

开尔文勋爵

威廉·汤姆森爵士（后来的开尔文爵士）（1824-1907年）在1871年《哲学》杂志上发表的题为《论液体弯曲表面上的蒸气平衡》上首次引用了他的著名方程式。开尔文对科学的重大贡献包括在热力学第二定律的发展中发挥了重要作用。绝对温度标度（以开尔文为单位）；热力学理论；电和磁的数学分析，包括光的电磁理论的基本概念；以及流体力学方面的基础性工作。

参考：钱扬（Y.V. Stebunov），S.J。海格（S.J.Haigh），周维恒（I.V.
10.1038 / s41586-020-2978-1