諾獎得主蓋姆為什麼認為中國的基礎研究僅次於美國？納米限域毛細凝聚可以作為一個例子_風聞

導讀

　　王奉超和蓋姆等人的工作，就是在用石墨烯搭建的納米毛細通道里，測量了水的凝聚壓強，並給出了開爾文方程的新形式。

　　視頻鏈接：

　　西瓜視頻：《諾獎得主蓋姆：對俄羅斯感情複雜，中國應用科學世界第一》

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　　最近，中國科學技術大學王奉超教授（圖1）與諾貝爾物理學獎得主、英國曼徹斯特大學安德烈•蓋姆（Andre Geim）教授（圖2）團隊合作，在納米限域毛細凝聚研究方面取得重要進展，論文發表在《Nature》上。不久前，我剛和蓋姆教授進行了連線對談（《諾獎得主蓋姆：對俄羅斯感情複雜，中國應用科學世界第一》科技袁人袁嵐峯的視頻）。他與中國的合作非常密切，怪不得他對中國科技的評價那麼高，認為中國的基礎研究僅次於美國，而應用研究全球最強。

　　王奉超教授（圖1）

　　安德烈•蓋姆（Andre Geim）教授（圖2）

　　下面來介紹一下王奉超與蓋姆的研究。

　　首先，什麼是毛細現象（圖3）？

　　毛細現象（圖3）

　　水在玻璃杯壁處的液麪比中間略高一些，這就是界面處表面張力的作用。當系統變小時，就會有很多有趣的毛細現象，例如浸潤液體會在細管道內自發地向上爬升。植物體內的導管就是毛細通道，將水逆着重力向上運輸，讓水參與植物的光合作用。

　　然後，什麼是毛細凝聚？

　　在空氣中，水蒸氣開始凝聚的臨界壓強叫做飽和蒸氣壓。而在小通道內，水會更容易凝聚，還沒到飽和蒸氣壓的時候就凝聚了，這就叫做毛細凝聚。

　　凝聚壓強的變化被開爾文勳爵在150年前定量描述，通過通道的尺寸、液固接觸角、表面張力係數等參數可以算出凝聚壓強。這個理論被稱為開爾文方程。人們已經發現，它可以描述尺寸從宏觀到10納米左右的凝聚現象。

　　那麼，10納米以下怎麼辦呢？

　　這就是問題所在了。毛細通道縮小到納米尺度時，只有幾個原子那麼大，也就是“限域系統”。此時，通道內可能只能容納一兩層水分子，無法定義曲率半徑，開爾文方程就不適用了。

　　王奉超和蓋姆等人的工作，就是在用石墨烯搭建的納米毛細通道里，測量了水的凝聚壓強（圖4），並給出了開爾文方程的新形式。

　　水的凝聚壓強（圖4）

　　王奉超發現，在納米尺度的毛細凝聚中，起主要作用的是固液界面的作用，而不是以前人們普遍認為的液氣界面的作用。據此他們建立了納米限域毛細凝聚的新理論，並將方程適用性拓展到亞納米尺度。

　　這項研究不僅為理解極限尺度下的毛細凝聚現象奠定了基礎，而且在微電子、製藥、食品等行業具有非常重要的實際應用前景。

　　最後有個彩蛋（圖5）。我在微博上發了一條介紹這個成果，然後有一位網友問：“什麼是科學技術大王啊？”然後他發現，是科學技術大學王奉超……

　　彩蛋（圖5）