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

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Materialul nou poate proteja mai bine soldații, sportivii și șoferii de șoc, impact și explozii

Soldații, sportivii și șoferii pot face viața mai sigură datorită unui nou proces care ar putea duce la o protecție mai eficientă și reutilizabilă...

A fost găsit cel mai vechi loc de înmormântare uman din Africa – un copil a fost îngropat în urmă cu 78.000 de ani

Vedere generală a zonei peșterii Panga ya Saidi. Observați săparea șanțului unde a fost deschisă înmormântarea. Credit: Muhammad Javad Shoaee Descoperirea celui mai...

Se preconizează că speciile non-native vor crește cu 36% în întreaga lume până în 2050

Gâscă egipteană (Alopochen aegyptiaca) originară din Africa și stabilită acum în Europa Centrală și de Vest. Credit: profesorul Tim Blackburn, UCL Se preconizează că...

Visele noastre pot fi ciudate

Această ilustrație reflectă supra-ipoteza creierului, care susține că calitatea redusă și halucinantă a viselor nu este o greșeală, ci o trăsătură particulară, deoarece ajută...

Newsletter

Subscribe to stay updated.