環境中的水蒸氣會在多孔材料內部或接觸表面之間自發地凝結。但由於其液層只有幾個分子厚，直到現在，人們仍對這一無處不在的重要現象缺乏瞭解。
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由諾獎得主Andre Geim（他與Kostya Novoselov獲得了2010年的諾貝爾物理學獎）領導的英國曼徹斯特大學研究組已經制造出足夠細小的人工毛細管，可以在正常環境條件下令水蒸氣在其中凝結。
該研究題為 “原子尺度限制下的毛細冷凝”，於2020年12月9日發表在《自然》（Nature）雜誌上。該研究解答了一個半世紀以來的謎題：“毛細冷凝”這一涉及多個水分子層的基本微觀現象，為什麼可以用宏觀方程和大體積的水的宏觀特徵來合理地描述。這是一種巧合，還是隱藏的自然規律？
毛細冷凝是被寫入教科書的重要現象，在我們周圍的世界中無處不在：摩擦、黏附、靜態阻力、潤滑和腐蝕等重要特性都受到毛細冷凝的強烈影響。這種現象在微電子、醫藥、食品等行業的許多技術過程中都非常重要；甚至連孩子們最喜歡玩的沙子，都需要毛細冷凝來支撐它們形成一座座沙雕和沙堡。
在科學上，人們通常使用具有 150 年曆史的開爾文方程來描述這種現象，即使在直徑小至 10 奈米的毛細管（即人類頭髮寬度的千分之一）上，該方程依舊被證明是非常準確的。不過，在正常溼度為 30%-50% 的情況下，要想產生冷凝現象，毛細管需要變得更小——直徑縮至 1 奈米左右，與水分子的直徑（約 0.3 奈米）相當。因此，只有數個水分子層可以被容納在那些造成了常見冷凝效應的孔隙中。
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宏觀的開爾文方程不能用於描述涉及分子尺度的性質，事實上，該方程在這個尺度下沒有什麼意義。舉個例子，假如一個水形成的彎月面只有幾個分子寬，就不可能用方程計算它的曲率。因此，無法（對微觀現象）進行恰當描述的開爾文方程一直被用作權宜之計。由於諸多實驗問題的存在，特別是物體表面的粗糙程度讓人們難以製造和研究達到所需要的分子尺度的毛細管，這方面的研究一直沒什麼進步。
為了製造這種毛細管，曼徹斯特大學的研究人員費盡心思將雲母和石墨的原子級平面晶體組裝在一起。他們把兩塊這種晶體上下拼接，中間放著另一種在原子級別上薄而平坦的晶體——石墨烯的窄條。這些條帶作為間隔物可以具有不同的厚度，使得該三層元件（能夠製造出）不同高度的毛細管。有些毛細管只有一個原子高，是最小的毛細管，只能容納一層水分子。
曼徹斯特大學的實驗表明，開爾文方程即使在最小的毛細管中也能描述毛細冷凝現象，至少是定性地描述。這不僅令人驚訝，而且與一般的預期相矛盾，因為水在這一尺度上改變了特性，其結構變得更加離散和分層化。
“這讓我大吃一驚。我以為經典物理學會徹底崩潰。”《自然》論文的主要作者Qian Yang博士說，“結果發現老方程也挺好用的。有點失望但也很興奮，（我們）終於解開了這個百年之謎···所以我們可以放寬心了，所有那些凝結效應和大量的相關特性，現在都有確鑿的證據支援，而不是依靠‘它似乎是有效的，所以應該能用方程’這種直覺。”
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曼徹斯特大學的研究人員認為，[對於該方程]一致性的發現雖然是定性的，但也是一種偶然。在正常的環境溼度下，毛細冷凝需要的壓力超過 1000個大氣壓，這比海洋底部最深處的壓力還要大。這樣的壓力會使毛細管的尺寸發生改變，變化幅度不到一埃（10-10m），這對於形成一個能容納整數分子層的空間是必需的。這些微小的變化抑制了通約性效應，使開爾文方程得以成立。
“好的理論往往能在其適用範圍之外發揮作用，”Geim說。
"開爾文勳爵是一位了不起的科學家，做出了許多發現，但即使是他也一定會驚訝地發現，他的理論——最初考慮的是毫米大小的細管——即使放在一個原子的尺度上也能成立。事實上，開爾文在他的開創性論文中恰恰評論說這不可能。”
“所以，我們的工作同時證明了他的正確和錯誤。”
注：威廉-湯姆森爵士（Sir William Thomson），即後來的開爾文勳爵（1824-1907年），1871年發表在《哲學雜誌》（Philosophical Magazine）上的一篇題為 《關於在液體彎曲表面的蒸汽平衡》（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。開爾文對科學的重大貢獻包括對以下方面的重大發現：熱力學第二定律；絕對溫標（以開爾文為單位）；熱的動力學理論；電和磁的數學分析，包括光的電磁理論的基本思想；以及流體力學基礎。
翻譯：鄭蘊儀
編輯：魏瀟
引進來源：曼徹斯特大學
本文來自：中國數字科技館
