科学家们阐明了沙雕的形成机制

　　环境中的水蒸气会在多孔材料内部或接触表面之间自发地凝结。但由于其液层只有几个分子厚，直到现在，人们仍对这一无处不在的重要现象缺乏了解。
　　图片来源：Pixabay
　　由诺奖得主Andre Geim（他与Kostya Novoselov获得了2010年的诺贝尔物理学奖）领导的英国曼彻斯特大学研究组已经制造出足够细小的人工毛细管，可以在正常环境条件下令水蒸气在其中凝结。
　　该研究题为 ＂原子尺度限制下的毛细冷凝＂，于2020年12月9日发表在《自然》（ Nature ）杂志上。该研究解答了一个半世纪以来的谜题：＂毛细冷凝＂这一涉及多个水分子层的基本微观现象，为什么可以用宏观方程和大体积的水的宏观特征来合理地描述。这是一种巧合，还是隐藏的自然规律？
　　毛细冷凝是被写入教科书的重要现象，在我们周围的世界中无处不在：摩擦、黏附、静态阻力、润滑和腐蚀等重要特性都受到毛细冷凝的强烈影响。这种现象在微电子、医药、食品等行业的许多技术过程中都非常重要；甚至连孩子们最喜欢玩的沙子，都需要毛细冷凝来支撑它们形成一座座沙雕和沙堡。
　　在科学上，人们通常使用具有 150 年历史的开尔文方程来描述这种现象，即使在直径小至 10 纳米的毛细管（即人类头发宽度的千分之一）上，该方程依旧被证明是非常准确的。不过，在正常湿度为 30%-50% 的情况下，要想产生冷凝现象，毛细管需要变得更小——直径缩至 1 纳米左右，与水分子的直径（约 0.3 纳米）相当。因此，只有数个水分子层可以被容纳在那些造成了常见冷凝效应的孔隙中。
　　图片来源：Pixabay
　　宏观的开尔文方程不能用于描述涉及分子尺度的性质，事实上，该方程在这个尺度下没有什么意义。举个例子，假如一个水形成的弯月面只有几个分子宽，就不可能用方程计算它的曲率。因此，无法（对微观现象）进行恰当描述的开尔文方程一直被用作权宜之计。由于诸多实验问题的存在，特别是物体表面的粗糙程度让人们难以制造和研究达到所需要的分子尺度的毛细管，这方面的研究一直没什么进步。
　　为了制造这种毛细管，曼彻斯特大学的研究人员费尽心思将云母和石墨的原子级平面晶体组装在一起。他们把两块这种晶体上下拼接，中间放着另一种在原子级别上薄而平坦的晶体——石墨烯的窄条。这些条带作为间隔物可以具有不同的厚度，使得该三层组件（能够制造出）不同高度的毛细管。有些毛细管只有一个原子高，是最小的毛细管，只能容纳一层水分子。
　　曼彻斯特大学的实验表明，开尔文方程即使在最小的毛细管中也能描述毛细冷凝现象，至少是定性地描述。这不仅令人惊讶，而且与一般的预期相矛盾，因为水在这一尺度上改变了特性，其结构变得更加离散和分层化。
　　＂这让我大吃一惊。我以为经典物理学会彻底崩溃。＂《自然》论文的主要作者Qian Yang博士说，＂结果发现老方程也挺好用的。有点失望但也很兴奋，（我们）终于解开了这个百年之谜···所以我们可以放宽心了，所有那些凝结效应和大量的相关特性，现在都有确凿的证据支持，而不是依靠‘它似乎是有效的，所以应该能用方程’这种直觉。＂
　　图片来源：Pixabay
　　曼彻斯特大学的研究人员认为，[对于该方程]一致性的发现虽然是定性的，但也是一种偶然。在正常的环境湿度下，毛细冷凝需要的压力超过 1000个大气压，这比海洋底部最深处的压力还要大。这样的压力会使毛细管的尺寸发生改变，变化幅度不到一埃（10-10m），这对于形成一个能容纳整数分子层的空间是必需的。这些微小的变化抑制了通约性效应，使开尔文方程得以成立。
　　＂好的理论往往能在其适用范围之外发挥作用，＂Geim说。
　　＂开尔文勋爵是一位了不起的科学家，做出了许多发现，但即使是他也一定会惊讶地发现，他的理论——最初考虑的是毫米大小的细管——即使放在一个原子的尺度上也能成立。事实上，开尔文在他的开创性论文中恰恰评论说这不可能。＂
　　＂所以，我们的工作同时证明了他的正确和错误。＂
　　注： 威廉-汤姆森爵士（Sir William Thomson），即后来的开尔文勋爵（1824-1907年），1871年发表在《哲学杂志》（Philosophical Magazine）上的一篇题为 《关于在液体弯曲表面的蒸汽平衡》（On the equilibrium of vapour at a curved surface of liquid）的文章中首次提到了他的著名方程。开尔文对科学的重大贡献包括对以下方面的重大发现：热力学第二定律；绝对温标（以开尔文为单位）；热的动力学理论；电和磁的数学分析，包括光的电磁理论的基本思想；以及流体力学基础。
　　翻译：郑蕴仪
　　编辑：魏潇
　　引进来源：曼彻斯特大学
　　本文来自：中国数字科技馆