修正開爾文方程！90后女科學家?guī)煆闹Z獎得主發(fā)現(xiàn)納米限域毛細凝聚新現(xiàn)象｜專訪

毛細凝聚作為一種常見的自然現(xiàn)象，通常由開爾文方程進行科學描述，在生活中無處不在。比如，在沙灘上堆砌的“沙堡”，離開了毛細凝聚現(xiàn)象，也無法矗立。

沙粒之間會形成一個個很小的凝聚水 “彎月面”，在尺寸很小的時候，相互接觸的沙粒間會產(chǎn)生巨大的副壓，這個壓力可以將每個沙粒相互‘粘’在一起。可以想象一旦水干了之后，沙堡便會坍塌成不定型的沙丘。

12 月 10 日，畢業(yè)于西南交通大學、英國曼徹斯特大學博士后楊倩博士為第一作者，在 Nature 發(fā)表了題為 "Capillary condensation under atomic-scale confinement" 《原子級限域空間的毛細凝聚》的論文，研究報道了納米限域毛細凝聚新發(fā)現(xiàn)，修正了傳統(tǒng)的經(jīng)典開爾文公式，更好地描述了亞納米尺度的毛細凝聚現(xiàn)象。

開爾文方程的提出到現(xiàn)在有 150 多年的時間，新理論解釋了在大于 10 nm 通道中的毛細凝聚現(xiàn)象，這個寬度只有人的頭發(fā)絲的千分之一。

“簡單來講，我們這項研究結果，就是論證了開爾文方程在更小的原子級別尺度下的適用性，之前大家在應用開爾文方程時，可能仍心存疑惑，但現(xiàn)在我們可以更放心地應用開爾文方程來解決實際問題?！睏钯桓嬖VDeepTech。

幸運總是眷顧有準備的人

作為一個西安女孩，楊倩在大學選專業(yè)方向的時候，從事建筑行業(yè)的家人以及周圍的朋友希望她也進入同一個領域，但她偏偏想擺脫“匠人之子”的身份，選擇了西南交大的材料科學與工程專業(yè)高分子方向。

談及父母的期冀，楊倩說道：“要是覺得自己能行，就多去爭取，要是覺得自己不行，不一定非要你要走這條路。反而父母希望我們過的開心，做自己想做的事，才是最重要的?！?/span>

其導師周祚萬教授是一個對待工作非常有熱情的人，在他的課堂上，楊倩開始對材料有了濃厚的興趣，意識到材料是很交叉的一個學科，算不上是真正的“理工科”，但是在做材料的過程中，需要不斷地去學習各種技能和知識。

畢業(yè)時，楊倩曾有機會前往浙大攻讀研究生，但考慮到西南交大熟悉的環(huán)境和一定的研究基礎，留在本校會起步更快。于是她申請了西南交大的直博，以專業(yè)第一的高分加入本校材料學院周祚萬教授團隊，開始開展碳基納米材料研究。

“我覺得，再努力一點，也許還能更好一點。一旦成為第一名，就會覺得第一好像也沒有那么難，所以就會努力維持。”楊倩告訴 DeepTech。

2015 年 1 月，諾獎得主安德烈?蓋姆（Andre Geim）教授在交大進行學術訪問。楊倩以良好的英語與專業(yè)實力，加上西南交大和導師的支持，在國家自然科學基金和國家留學基金委項目的資助下，于當年 9 月，加入了曼徹斯特大學安德烈?蓋姆（Andre Geim）教授課題組。

換到一個精英云集的新環(huán)境和更大的平臺，楊倩表示自己最大的收獲就是眼界更為開闊。在英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究院（NGI），很多研究者都來自不同的國家和文化背景，甚至是不同的專業(yè)背景，與非常優(yōu)秀的人一起工作，楊倩更能意識到自己在專業(yè)知識、實驗技能以及對于工作理解的不同，要學習的東西更多，動力也會更多。

楊倩說到，“蓋姆教授非常知道自己想要做什么，他擺脫了所有的行政職責，只是一心去做科研，在當今社會還是很難得的。”

課題組的所有人幾乎都處于一種很自律的狀態(tài)，這對她的內心成長影響很大。“知道自己想要什么很重要，不去理會周圍人怎么想，專注做好自己的想做的事情就可以了。”

這不是楊倩第一次發(fā)表文章。2017 年 10 月，楊倩參與的論文 “Size Effect in Ion Transport through Angstrom-scale Slits”《離子在埃級別狹縫中傳輸?shù)某叽缧钒l(fā)表在 Science 上。

“這兩篇論文，是同樣的實驗體系，相當于在非常相似的實驗體系，做了不同的測試，得到了不同研究方向上同樣重要的兩個結論?！睏钯桓嬖V DeepTech。

同年 11 月 13 日，楊倩發(fā)現(xiàn)了一種基于氧化石墨烯（GO）的高通量分子分離膜，以一作身份，發(fā)表題為 “Ultrathin graphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation” 的文章，再上 Nature 子刊 Nature Materials。

和所有的課題研究一樣，實驗規(guī)劃是既定的，但不應人為去干涉實驗的結論和走向。本次實驗結論也是基于實驗觀察、數(shù)據(jù)分析以及個人理解，楊倩覺得，這是保證實驗體系的真實和公正性很重要的一點。

修正開爾文方程

威廉?湯姆遜爵士（Sir William Thomson）（后稱開爾文勛爵 Lord Kelvin），在 1871 年 Philosophical 雜志上發(fā)表的題為《論液體在彎曲表面上的蒸汽平衡》中首次發(fā)表他的著名方程式。具體來說，“開爾文方程從理論上描述了毛細管內彎曲的液氣界面引起的蒸氣壓變化，被認為是固液界面潤濕領域三大經(jīng)典理論之一。”

“開爾文方程用到的諸多參數(shù)，包括水的表面張力、接觸角以及水半月板的曲率半徑，這些在宏觀狀態(tài)下非常容易描述。但是到了亞納米級別的時候，卻沒有辦法準確定義?！睏钯槐硎尽?/span>

該文章通信作者、諾貝爾物理獎得主安德烈·蓋姆（Andre Geim）說到：好的理論常常能在其適用范圍之外依舊可行。開爾文勛爵是偉大的科學家，有許多重****現(xiàn)，但即使他看到這樣的結果可能也會感到驚奇，畢竟他最早的實驗是建立在毫米級別尺度下的。但實際上，他也曾預言該方程在亞納米尺寸下不再適用。所以，我們的工作能同時證明開爾文既是正確，也是不正確的?！?/span>

中國科大王奉超教授也參與了此項研究，揭示了固液界面能的尺寸效應。“一般人們認為，在納米尺度的毛細凝聚中，是液氣界面在起主導作用，實際上是由于固液界面的力學作用。”他在接受DeepTech采訪時說道。

在原子尺度下的毛細凝聚

回顧整個研究心路歷程，楊倩考慮到二維材料具有原子級別的光滑表面，能夠避免傳統(tǒng)材料表面粗糙度的問題，在此基礎上，他們設計了現(xiàn)在的研究系統(tǒng)：采用云母或石墨二維晶體，將具有一定原子層數(shù)的石墨烯納米條帶堆疊在兩層晶體間，這些石墨烯條帶可以定義所形成的通道的高度。

好比把一張紙搭在兩根筷子上面，紙是會往下彎的。同樣的原理，楊倩團隊特意制備了上表面有一定的彎曲塌陷的納米通道，通過改變通道內的相對濕度，在達到毛細凝聚臨界濕度時，根據(jù)開爾文方程，水蒸氣便會凝聚成水，從而將彎曲的上表面抬起來。

“我們在實驗中用原子力顯微鏡 (AFM) 觀察通道上表面從塌陷到抬升的過程，具有非常高的精度。最小的通道只有 1 個原子層高度，只能容納一層水分子。” 楊倩解釋道。

“這對我來說很意外，我們期望的是傳統(tǒng)理論失效。但這個有著百年歷史的方程居然依舊成立。” 楊倩表示。

“原油儲存在地下的裂縫里，開爾文方程是用來估測原油儲量的重要理論基礎，我們的現(xiàn)有研究結果，將來也許會對原油的儲量估計產(chǎn)生一些影響?！睏钯徽f道。

在微電子領域，現(xiàn)在都在追求把元器件做的更精密、更小、更集成，在制備的過程中，當器件尺寸足夠小的時候，必須考慮到毛細凝聚效應，對整個制備過程以及行業(yè)產(chǎn)生影響。

做科研，一定得沉下心

楊倩在去年拿到了一個小基金，可以更自由地去做科研，這是她多年努力的成果。

“想要認真地去做一些事情，一定要專注。同樣，要想做好科研，必須得排除其他的雜念。我自己會提前規(guī)劃每天要做的事情，然后盡量去完成。即使出錯也要心態(tài)平和，明白出錯是必然的就好。” 

楊倩性格外向，愿意與別人交流和合作，平時也會打羽毛球和練習書法，也會單獨抽出時間鍛煉身體，以保持頭腦清晰。

羅馬不是一天建成的。楊倩稱，本次研究項目從立項到成果發(fā)現(xiàn)，歷時三年多。她參與了從原始實驗數(shù)據(jù)的采集、分析、討論，到最后的論文撰寫的整個過程。“如果在一開始，有一點實驗數(shù)據(jù)就發(fā)表出去，便達不到現(xiàn)在這樣系統(tǒng)研究的深度。因此必須要沉得住氣，有耐心，慢慢地不斷完善實驗系統(tǒng)。” 楊倩說道。