一份新研究发现，150年前一位数学物理学家针对宏观世界总结的规律，竟然在纳米尺度范围的微观世界内仍然适用。
在沙滩搭建古堡，是项历史悠久的传统娱乐。仅靠水和沙子，通过合适的比例调和，就能造出坚固精致的沙滩城堡。后来人们就这项娱乐还举办了竞赛，推动工匠们造出越发精致的古堡。研究显示，最佳的比例是一桶水配八桶沙子。当然随意一些的比例也能造出风格迥异的城堡，不过要想造出最结实、可以赢得比赛的城堡，恐怕得按照这个比例。1871年，英国数学物理学家威廉・汤姆森(William Thomson，第一代开尔文男爵)总结了一个方程式，描述水从环境中挥发将使带孔材料结合更紧密的现象，被称为“开尔文方程式”，因为它能很好地解释沙子城堡的坚固性，也被称为“沙堡方程式”。这个方程式描述的是宏观世界的规律，然而物理学家困惑的是，在更小的尺度范围内这个方程式是否有效?毛细管缩合效应科学家发现，这是液体在细微管道内产生的一种“毛细管缩合效应”造成的凝聚力。物理学家用X射线显微断层扫描，观察形状、大小和沙子颗粒差不多的玻璃珠与水在微观世界中的互动情形。他们看到，把水加入干燥的玻璃珠后，水在玻璃珠之间形成细小的桥梁式的毛细管连接结构。荷兰阿姆斯特丹大学的物理学家波恩(Daniel Bonn)发现了其中的秘密。他说，类似肥皂泡总是呈现球形的道理，因为同体积的各种形状来看，球体的表面积是最小的，使用最小的能量即可维持。“同样的，两粒沙之间少量的水形成一个小型细管，使水和空气之间接触的面积最小。如果一端的沙子移动了位置，这会增加水和空气之间的表面积，将需要消耗能量，因此会有一种阻力阻止这种形变的发生。”大量细管的作用力之和，产生总体的效应很明显，使得水起到胶水一样的作用，把沙子紧密的固定结合在一起。然而，研究看到这种效应达到一定程度之后，再继续加水、细管结构的体积超过一定临界的时候，玻璃珠之间黏合力的增加，将被细管作用力的削弱而抵消。数学计算显示，湿度在30%～50%的时候这种缩合效果最强，但是在小于1纳米的分子尺度上，因为一个水分子直径大约是0.3纳米，这意味着1纳米粗的毛细管内只能容纳一两个水分子厚度的水分层。科学家推测，在这样的尺度下，恐怕这个方程式就不适用了。但是一百多年来这个问题一直无解。这个规律不仅对沙子城堡有意义，毛细管缩合效应对现代微电子、制药、食品加工业等多个领域都具有重要意义。“石墨烯之父”找到答案150年后，曼彻斯特大学的物理学家海姆(Andre Geim)终于解决了这道数学难题。海姆和同事发明非常简单的胶带法，从石墨上分离得到只有单层碳原子的石墨烯材料获得2010年物理学诺贝尔奖。石墨烯是现代应用广泛的材料，人们把海姆称为“石墨烯之父”。海姆对单层原子材料的研究很有经验，找到一个办法检测分子尺度上的毛细管作用规律。海姆把只有单层原子厚度的云母和石墨叠放在一起，造出只有分子尺度大小的毛细管，中间用石墨烯窄条间隔作为空隙。如此，研究人员造出了不同长度的毛细管，有的只有一个原子长，仅够容纳一层水分子，是有可能造出的最小的结构。海姆的研究称：“这种情况下，水变得更加分散，也成为只有1纳米厚的分层结构，导致毛细管出现了微观尺度的调整，抑制了可能让方程式不起作用的因素。”也就是说，海姆认为毛细管的缩合方程式在微观下仍然成立——与预测的情况相反。海姆说：“好的理论才能突破限制仍然适用。‘开尔文男爵’是一位了不起的科学家，我相信他本人也想不到这个理论在只有一个原子的尺度依然成立。其实，当时他在论文的评注说这是不可能的。所以我们的研究既证明他是对的，也证明他是错的。”
