În cele din urmă, se înțelege știința construirii castelelor de nisip, explicată misterios timp de 150 de ani prin ecuația lui Kelvin

Vaporii de apă din aer se vor condensa spontan în interiorul materialelor poroase sau între suprafețele de contact. Dar cu stratul lichid gros de doar câteva molecule, acest fenomen omniprezent și important nu a fost înțeles până acum.

Cercetătorii de la Universitatea din Manchester conduși de laureatul premiului Nobel Andre Geim – care, împreună cu Kostya Novoselov, au primit premiul Nobel pentru fizică acum zece ani în această lună – au făcut capilarele artificiale suficient de mici pentru ca vaporii de apă să se condenseze în interior „în condiții normale și de mediu.

Studiul de la Manchester este intitulat „Condensare capilară sub confinare la scară atomică” și va fi publicat în Nature. Cercetările oferă o soluție la puzzle-ul centenar al motivului pentru care condensarea capilară, un fenomen fundamental microscopic care implică unele straturi moleculare de apă, poate fi descrisă în mod rezonabil prin ecuațiile macroscopice și caracteristicile macroscopice ale apei în vrac. Este o coincidență sau o lege ascunsă a naturii?

Condensarea părului, un fenomen manual, este omniprezentă în lumea din jur și proprietăți atât de importante precum fricțiunea, aderența, fricțiunea, lubrifierea și coroziunea sunt puternic afectate de condensarea părului. . Acest fenomen este important în multe procese tehnologice utilizate de microelectronică, produse farmaceutice, produse alimentare și alte industrii, și chiar și copiii nu ar putea construi castele de nisip dacă nu ar fi condensarea capilară.

Științific, fenomenul este adesea descris de ecuația Kelvin, veche de 150 de ani, care s-a dovedit a fi extraordinar de precisă chiar și pentru capilarele de până la 10 nanometri, cu o miime de lățime a părului. uman. Cu toate acestea, pentru ca condensul să se producă sub o umiditate normală de 30% până la 50%, capilarele ar trebui să fie mult mai mici, cu o dimensiune de aproximativ 1 nm. Acest lucru este comparabil cu diametrul moleculelor de apă (aproximativ 0,3 nm), deci doar câteva straturi moleculare de apă se pot încadra în porii responsabili de efectele comune de condensare.

Ecuația macroscopică Kelvin nu a putut fi justificată pentru a descrie proprietățile care implică scara moleculară și, de fapt, ecuația nu are sens la această scară. De exemplu, este imposibil să se definească curbura unui menisc de apă, care intră în ecuație, dacă meniscul are o lățime de doar câteva molecule. În consecință, ecuația Kelvin a fost utilizată ca abordare a unui om sărac, din lipsa unei descrieri adecvate. Progresul științific a fost împiedicat de multe probleme experimentale și, în special, de rugozitatea suprafeței care face dificilă realizarea și studierea capilarelor cu dimensiuni la scara moleculară necesară.

Pentru a crea aceste capilare, cercetătorii din Manchester au strâns meticulos cristale plate atomice de mică și grafit. Două cristale ca acestea sunt așezate una peste alta cu benzi înguste de grafic, un alt cristal plat subțire atomic, care este plasat în mijloc. Fâșiile au acționat ca distanțieri și ar putea fi de diferite grosimi. Acest set trilayer a permis capilarelor de diferite înălțimi. Unii dintre ei erau doar unul atom de înălțime, cele mai mici capilare posibile și ar putea găzdui doar un singur strat de molecule de apă.

Experimentele de la Manchester au arătat că ecuația Kelvin poate descrie condensarea capilară chiar și în cele mai mici capilare, cel puțin calitativ. Acest lucru nu doar surprinde, ci contrazice așteptările generale, deoarece apa își schimbă proprietățile la această scară și structura sa devine clar discretă și stratificată.

„Pur și simplu ne-a dat seama atunci. Mă așteptam la o defalcare completă a fizicii convenționale “, a spus dr. Qian Yang, autorul principal al raportului Nature.” Vechea ecuație a funcționat bine. Un pic dezamăgitor, dar și interesant pentru a rezolva în cele din urmă misterul secular.

„Deci ne putem relaxa, toate aceste numeroase efecte de condensare și proprietățile conexe sunt acum susținute de dovezi clare, mai degrabă decât de o presimțire care„ pare să funcționeze, deci ar trebui să fie bine să folosim ecuația ”.

Cercetătorii din Manchester susțin că acordul constatat, deși este calitativ, este, de asemenea, fortuit. Presiunile implicate în condensarea capilară sub umiditatea ambiantă depășesc 1.000 de bare, mai mult decât cele de la fundul celui mai adânc ocean. Aceste presiuni determină capilarele să-și regleze dimensiunile într-o fracțiune de angstrom, ceea ce este suficient pentru a găzdui perfect doar un număr întreg de straturi moleculare din interior. Aceste ajustări microscopice suprimă efectele de comensurabilitate, permițând menținerea ecuației Kelvin.

„O teorie bună funcționează adesea dincolo de limitele sale de aplicabilitate”, a spus Geim.

„Lordul Kelvin a fost un om de știință remarcabil, care a făcut multe descoperiri, dar chiar și el ar fi cu siguranță surprins să vadă că teoria sa, considerată inițial tuburi de dimensiuni milimetrice, rămâne chiar la scara unui atom. De fapt, în articolul său seminal, Kelvin a comentat exact această imposibilitate.

„Așadar, munca noastră a dovedit-o atât bine, cât și rău”.

Lord Kelvin

Sir William Thomson, mai târziu Lord Kelvin (1824-1907), s-a referit mai întâi la celebra sa ecuație într-un articol intitulat „Despre echilibrul vaporilor pe o suprafață lichidă curbată” publicat în 1871 în revista Philosophical Revistă. Contribuțiile semnificative ale lui Kelvin la știință au inclus un rol important în dezvoltarea celei de-a doua legi a termodinamicii; scara de temperatură absolută (măsurată în kelvini); teoria dinamică a căldurii; analiza matematică a electricității și magnetismului, inclusiv ideile de bază pentru teoria electromagnetică a luminii; plus lucrarea fundamentală în hidrodinamică.

Referință: „Condensare capilară sub confinare la scară atomică” 9 decembrie 2020, Natură.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2978-1

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Oamenii de știință dezvăluie cheia creșterii musculare adecvate

Analiza imunofluorescenței unui grup de celule stem proliferante asociate cu fibre musculare (gri). Celulele stem produc Dll1 (roșu) și MyoD (verde). Două...

ExoMars Orbiter surprinde fermitatea la locul de aterizare al craterului Mars Jezero

ESA-Roscosmos Trace Gas Orbiter a observat vehiculul NASA Perseverance Mars 2020, împreună cu o parașută și o carapace spate, un scut termic și o...

Reglarea cuantică în grafen avansează era comunicațiilor fără fir Terahertz de mare viteză

Tunelare cuantică. Credit: Daria Sokol / Biroul de presă MIPT Oamenii de știință de la MIPT, Universitatea Pedagogică de Stat din Moscova și Universitatea...

Un model agresiv bazat pe piață pentru dezvoltarea energiei de cuplare

Conceptul ARC Fusion Pilot Plant a fost dezvoltat la MIT ca o demonstrație a potențialului magneților supraconductori de temperatură înaltă de a reduce costurile...

Sug este mai important în cercetare decât potrivirea corectă a măștilor de față COVID

O echipă de cercetători care studiază eficacitatea diferitelor tipuri de măști de față a constatat că este cea mai bună protecție împotriva acesteia COVID-19,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.