当代物理学已经非常博识了，对付大多人来说，听到那些高大上的物理学名词都完备不知所云。但纵然物理学发展到如此程度，我们身边不幼年问题在物理学上仍旧没有令人满意的答案。例如“沙雕是怎么立起来的？”，这种看上去有些“沙雕”的问题，实际上却是物理学家150年来都未能办理的难题。近日，曾以看上去有些“沙雕”的办法得到诺贝尔奖的物理学家，在《自然》杂志上揭橥了一篇论文，以看上去不那么“沙雕”的办法，终于回答了这个“沙雕”问题。
编译| 王昱
审校 | 吴非
在沙滩上建造沙雕，想想就让人感到欢快享受。不过，对付沙雕能立起来的科学事理，物理学家始终无法明晰。建造沙雕时，须要将沙和水稠浊，一样平常认为8桶沙子：1桶水的比例，是建造沙雕比较得当的比例。对付原来疏松的颗粒状沙子，一点也不粘稠的水在个中却能扮演胶水的角色，将沙子牢牢固定，能让你做出或精美、或欢快的沙雕。
毛细冷凝
2008年，科学家们就动手深入研究为什么沙子在湿润的时候会一改其疏松的特性，粘成一块。他们利用X射线显微镜，拍摄湿玻璃珠的3D图像。当他们在干燥的玻璃珠中加入液体时，他们不雅观察到珠子之间形成液体“毛细桥”，将珠子结合起来。水越多，液体桥越大，进一步增强了却合效果。随着液体桥进一步增大，结合的力也相应减小。研究结论是，在一定含水量范围内，将珠子结合起来的力和含水量无关。
液体桥的形成类似于球形的肥皂泡，是表面张力导致体系能量最小化的结果。阿姆斯特丹大学的物理学家尼尔·波恩（Daniel Bonn）说：“（与肥皂泡）类似，在两个沙粒之间，少量的水形成一个小液体桥，最大限度地减少了水和空气打仗的表面积。如果将一粒沙移动到另一粒沙上，新的液体表面会自动形成，这会花费能量，从而产生抵抗形变的阻力。”
这种颗粒材料因含水而对形变产生阻力的征象，可以用一个物理名词——毛细冷凝（capillary condensation）——来描述。毛细冷凝是空气中的水蒸气自发凝集于多孔材料内部，或与空气打仗面上的物理征象。个中有一种桥接效应（bridging effects），可以阐明疏松的颗粒状沙子是如何被顺滑的水加固的。而对付毛细冷凝征象，其实在1871年，威廉·汤姆森（即后来的热力学之父，开尔文勋爵）就在其一篇论文中提出了“开尔文方程”用以描述。
液体桥，类似的效应让疏松的沙子湿水后紧密结合
虽然分子的观点在1811年就由阿伏伽德罗提出，但直到让·巴蒂斯特·佩兰（Jean Baptiste Perrin）受爱因斯坦1905年终于布朗运动的论文启示，证明分子的真实存在后，关于分子大小的打算才算正式进入物理学的范畴。自然，虽然当代实验表明1871年提出的开尔文方程在10纳米量级及以上的“宏不雅观”尺度都适用，但水分子的直径也仅有约0.3纳米，对付1纳米量级，水膜只有几个分子厚，显然不能直接用毫米量级下得到的开尔文方程来描述。而实际上，生活中很多征象都哀求毛细构造尺度小到1纳米量级。空气的范例湿度在30%到50%之间，想让空气中的水产生毛细冷凝征象，毛细构培养须要小到1纳米量级。
毛细冷凝是一种非常主要的物理征象，在我们的生活中无处不在。物体的摩擦、粘附、润滑和堕落等主要特性都受到其严重影响。这种征象在微电子、制药、食品和其他工业中利用的工艺中都霸占主要的地位。乃至——当然，也决定了如何建造沙雕。如此主要的征象却在常见湿度下，150年来得不到完全的阐明，是由于纳米级别的实验难度十足。
纳米专家
而诺贝尔奖得主安德烈·海姆（Andre Geim）接过了这个寻衅。他和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）曾用胶带粘在一片石墨的两端，然后撕开。他们不断重复这个过程，终极制得了石墨烯，并由此得到了2010年诺贝尔物理学奖。曾经用看上去有些“沙雕”的办法得到诺贝尔奖的人，如今真的研究起了沙雕问题。
安德烈·海姆 图片来源：Wikipedia
虽然看上去很“沙雕”，但研究微不雅观尺度下的毛细冷凝效应，的确是曼彻斯特介不雅观科学与纳米科技研究中央（Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology）的本职事情，而作为研究中央主任的海姆带领团队设计了奥妙的实验。
海姆团队精心构建分子尺度的毛细管，将云母和石墨的原子级薄片晶体叠放起来，每层之间用窄条石墨烯隔开。用这种方法，团队制造了不同高度的毛细管，包括只有一个原子高的毛细管——刚好足以容纳一层水分子，这是可能的最小构造。
实验装置示意图 图片来源：Nature 588, 250–253
实验结果显示，在分子尺度上，开尔文方程仍旧是毛细冷凝征象极佳的定性描述。这和预期相抵牾，由于水的特性估量会在1纳米的尺度上变得更加离散。在这种情形下，毛细管产生了微不雅观变革，从而抑制了可能导致方程式崩溃的任何其他影响。
自然的巧合
论文合著者杨前（Qian Yang）表示：“这让人大吃一惊。我原来期待传统物理学会彻底崩溃，但以前的方程仍旧适用。我有些失落望，但也对解开科学上的百年之谜感到愉快。无数的凝集效果和干系特性都得到了有力的证据支持，而不是凭直觉——‘寻思着能行，就用原来的公式进行打算’。”
曼彻斯特的研究职员认为，虽然创造开尔文方程仍旧定性有效，但这完备是有时的。在环境湿度下，毛细冷凝涉及的压力超过1000巴（1巴=100000帕），比海底最深处的压力还要高。这样的压力导致毛细管产生几分之一埃（1埃=0.1纳米）的形变，足以在个中紧密容纳数个分子层。这种微不雅观调度抑制了相约性效应（commensurability effects），导致开尔文方程仍旧定性成立。
海姆表示：“好的理论每每超出实在用范围，开尔文勋爵是一位伟大的科学家，不过纵然是他，也会对他的理论在原子级尺度仍旧适用感到惊异——这理论最初考虑的是毫米尺度的管子。实际上，在开尔文首创性的论文中，他认为在这个尺度他的理论不再适用。以是，我们的事情同时证明了他既是对的，又是错的。”
参考文献
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1
https://arstechnica.com/science/2020/12/physicists-solve-150-year-old-mystery-of-equation-governing-sandcastle-physics/
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/uom-sos120720.php
来源： 中科院高能所
