Capillary condensation under atomic-scale confinement
Q. Yang, P.Z. Sun, L. Fumagalli, et al.
摘要
水的毛细管凝聚在自然界和技术中普遍存在。它通常发生在颗粒和多孔介质中，能够显著改变粘附、润滑、摩擦和腐蚀等特性，并且在微电子、制药、食品和其他行业的许多工艺中都至关重要。已有百年历史的开尔文方程经常用于描述凝聚现象，并且已被证明适用于直径小至几纳米的液体弯月面。对于在环境湿度下发生凝聚且特别具有实际意义的更小的毛细管，开尔文方程预计会失效，因为所需的约束与水分子的大小相当。在这里，我们利用二维晶体的范德华力组装来创建原子级毛细管，并研究其中的凝聚。我们最小的毛细管高度不到四埃，只能容纳一层水。令人惊讶的是，即使在这种尺度下，我们发现基于本体水特征的宏观开尔文方程也能准确描述强亲水性（云母）毛细管中的凝结转变，并且对于弱亲水性（石墨）毛细管仍然定性有效。我们表明，这种一致性是偶然的，可以归因于毛细管壁的弹性变形，这种弹性变形抑制了原子尺度毛细管与水分子之间可比性所预期的巨大振荡行为。我们的工作为更好地理解尽可能小尺度上的毛细管效应奠定了基础，这在许多实际情况下都至关重要。