开尔文效应(Kelvin effect)是指在曲面上的蒸汽压力大于平面上的蒸汽压力的现象,且曲面的半径越小,这种压力差异越大。这一效应在小粒径液滴的凝结过程中起着重要作用,尤其是在云滴形成的过程中。开尔文效应与液滴或液气界面的曲率有关,曲率越大,即液滴半径越小,蒸汽压的增加也越显著。
开尔文效应的物理基础可以通过开尔文方程(Kelvin equation)来描述,该方程说明了毛细管内弯曲的液气界面引起的蒸气压变化。在固液界面润湿领域,开尔文方程是三大经典理论之一。在纳米尺度下,由于实验观测难度大,开尔文方程中采用的弯月面曲率、接触角等概念难以被准确定义。近年来,科学家们已经在纳米尺度下对开尔文方程进行了修正,以更好地描述和预测在极小尺寸下毛细凝聚现象。
例如,中国科学技术大学的王奉超教授与诺贝尔物理奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授团队合作,在纳米限域毛细凝聚研究方面取得了重要进展。他们通过实验观测和理论分析,揭示了固液界面能的尺寸效应,并建立了纳米限域毛细凝聚的新理论,修正了经典的开尔文方程,将方程适用性拓展到亚纳米尺度。
开尔文效应不仅在理论研究中具有重要意义,而且在微电子、制药、食品等行业具有非常实际的应用前景,例如在提高材料的润湿性、设计和优化微流控芯片等方面。