毛细凝聚是指在限域空间内的气体，不必达到过饱和状态即可发生凝聚从而转变成液体的现象。

在自然界和工业生产中，水的毛细凝聚现象无处不在。毛细凝聚通常发生在颗粒状和多孔介质中，可以改变物质的粘合、润滑、摩擦和腐蚀等特性，在微电子器件、制药、食品等行业的诸多过程中具有重要意义。

1875年，英国科学家威廉·汤姆森提出开尔文方程，从理论上描述了毛细管内弯曲的液气界面引起的蒸气压变化。经过大量理论和实践证明，开尔文方程对直径小至几纳米的纳米液体都适用。

然而，对于尺寸更小的极端限域的环境湿度下，当限域尺寸与水分子的大小相当时，开尔文方程还能使用吗？

诺贝尔物理学奖得主Andre Geim教授长期致力于基于石墨烯的纳米限域流体研究。今日，Andre Geim教授和中科大王奉超教授等人合作，进一步揭示了纳米限域毛细凝聚理论的新进展。

基于晶态二维材料的范德华作用，研究人员成功构筑了原子尺度的毛细通道，最下尺度达到0.4 nm，水分子只能以单层形式存在。基于这样的原子尺度限域通道，研究人员对其中的凝聚现象进行了深入研究。

令人惊讶的是，即使在这种情况下，开尔文方程依然能够适用于强亲水性（云母）毛细管中的缩合转变，并且在弱亲水性（石墨）毛细管仍然有效（从定性角度）。研究人员认为，这种现象是偶然的，可以归因于毛细管壁的弹性变形，抑制了原子尺度毛细通道与水分子之间所期望的巨大振荡行为。

纳米限域毛细凝聚示意图 

图片来源：中科大新闻网，美术设计：马子颂、梁琰

这项工作为深入理解毛细效应和原子尺度限域行为提供了新的见解，并使得具有150年历史的开尔文方程的适用性得到进一步拓展。

参考文献：

QianYang et al. Capillary condensation under atomic-scale confinement. Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1