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
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导读
王奉超和盖姆等人的工作，就是在用石墨烯搭建的纳米毛细通道里，测量了水的凝聚压强，并给出了开尔文方程的新形式。
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最近，中国科学技术大学王奉超教授（图1）与诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈•盖姆（Andre Geim）教授（图2）团队合作，在纳米限域毛细凝聚研究方面取得重要进展，论文发表在《Nature》上。不久前，我刚和盖姆教授进行了连线对谈（《诺奖得主盖姆：对俄罗斯感情复杂，中国应用科学世界第一》科技袁人袁岚峰的视频）。他与中国的合作非常密切，怪不得他对中国科技的评价那么高，认为中国的基础研究仅次于美国，而应用研究全球最强。
下面来介绍一下王奉超与盖姆的研究。
首先，什么是毛细现象（图3）？
水在玻璃杯壁处的液面比中间略高一些，这就是界面处表面张力的作用。当系统变小时，就会有很多有趣的毛细现象，例如浸润液体会在细管道内自发地向上爬升。植物体内的导管就是毛细通道，将水逆着重力向上运输，让水参与植物的光合作用。
然后，什么是毛细凝聚？
在空气中，水蒸气开始凝聚的临界压强叫做饱和蒸气压。而在小通道内，水会更容易凝聚，还没到饱和蒸气压的时候就凝聚了，这就叫做毛细凝聚。
凝聚压强的变化被开尔文勋爵在150年前定量描述，通过通道的尺寸、液固接触角、表面张力系数等参数可以算出凝聚压强。这个理论被称为开尔文方程。人们已经发现，它可以描述尺寸从宏观到10纳米左右的凝聚现象。
那么，10纳米以下怎么办呢？
这就是问题所在了。毛细通道缩小到纳米尺度时，只有几个原子那么大，也就是“限域系统”。此时，通道内可能只能容纳一两层水分子，无法定义曲率半径，开尔文方程就不适用了。
王奉超和盖姆等人的工作，就是在用石墨烯搭建的纳米毛细通道里，测量了水的凝聚压强（图4），并给出了开尔文方程的新形式。
王奉超发现，在纳米尺度的毛细凝聚中，起主要作用的是固液界面的作用，而不是以前人们普遍认为的液气界面的作用。据此他们建立了纳米限域毛细凝聚的新理论，并将方程适用性拓展到亚纳米尺度。
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。
最后有个彩蛋（图5）。我在微博上发了一条介绍这个成果，然后有一位网友问：“什么是科学技术大王啊？”然后他发现，是科学技术大学王奉超……
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背景简介：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，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，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：陈昕悦