Videnskaben om at bygge sandslotte forstod endelig

Vanddamp fra den omgivende luft vil spontant kondensere inde i porøse materialer eller mellem berørende overflader. Men da væskelaget kun er et par molekyler tykt, dette fænomen har manglet forståelse, indtil nu.

Forskere ved University of Manchester ledet af nobelpristageren Andre Geim - som, med Kostya Novoselov, blev tildelt Nobelprisen i fysik for 10 år siden i denne måned - har gjort kunstige kapillærer små nok til, at vanddamp kan kondensere inde i dem under normalt, omgivende forhold.

Manchester-undersøgelsen har titlen "Kapillær kondensation under indeslutning i atomare skala, " og vil blive offentliggjort i Natur . Forskningen giver en løsning på det 150 år gamle puslespil om hvorfor kapillær kondensation, et grundlæggende mikroskopisk fænomen, der involverer nogle få molekylære lag af vand, kan beskrives rimeligt godt ved hjælp af makroskopiske ligninger og makroskopiske karakteristika for bulkvand. Er det en tilfældighed eller en skjult naturlov?

Sådanne egenskaber som friktion, vedhæftning, stiktion, smøring og korrosion er stærkt påvirket af kapillær kondens. Dette fænomen er vigtigt i mange teknologiske processer, der anvendes af mikroelektronik, farmaceutiske, fødevare- og andre industrier - og endda sandslotte kunne ikke bygges, hvis det ikke var for kapillær kondensering.

Videnskabeligt set, Fænomenet beskrives ofte af den 150 år gamle Kelvin-ligning, der har vist sig at være bemærkelsesværdig nøjagtig, selv for kapillærer så små som 10 nanometer, en tusindedel af menneskehårs bredde. Stadig, for at kondens opstår under normal luftfugtighed på f.eks. 30 % til 50 %, kapillærer skal være meget mindre, på omkring 1 nm i størrelse. Dette kan sammenlignes med diameteren af ​​vandmolekyler (ca. 0,3 nm), så kun et par molekylære lag af vand kan passe ind i de porer, der er ansvarlige for almindelige kondenseringseffekter.

Den makroskopiske Kelvin-ligning kunne ikke retfærdiggøres for at beskrive egenskaber, der involverer den molekylære skala og, faktisk, ligningen har ringe mening på denne skala. For eksempel, det er umuligt at definere krumningen af ​​en vandmenisk, som kommer ind i ligningen, hvis menisken kun er et par molekyler bred. Derfor, Kelvin-ligningen er blevet brugt som en fattigmandstilgang, i mangel af en ordentlig beskrivelse. Videnskabelige fremskridt er blevet hindret af mange eksperimentelle problemer og, i særdeleshed, ved overfladeruhed, der gør det vanskeligt at fremstille og studere kapillærer med størrelser i den krævede molekylære skala.

For at skabe sådanne kapillærer, Manchester-forskerne samlede møjsommeligt atomisk flade krystaller af glimmer og grafit. De satte to sådanne krystaller oven på hinanden med smalle strimler af grafen, en anden atomisk tynd og flad krystal, bliver placeret imellem. Strimlerne fungerede som afstandsstykker og kunne være af forskellig tykkelse. Denne trelagskonstruktion tillod kapillærer i forskellige højder. Nogle af dem var kun ét atom høje, de mindst mulige kapillærer, og kunne kun rumme ét lag vandmolekyler.

Manchester-eksperimenterne har vist, at Kelvin-ligningen kan beskrive kapillær kondensation selv i de mindste kapillærer, i hvert fald kvalitativt. Dette er ikke kun overraskende, men modsiger generelle forventninger, da vand ændrer sine egenskaber i denne skala, og dets struktur bliver tydeligt diskret og lagdelt.

"Dette kom som en stor overraskelse. Jeg forventede et fuldstændigt sammenbrud af konventionel fysik, " sagde Dr. Qian Yang, hovedforfatteren af Natur rapport. "Den gamle ligning viste sig at fungere godt. Lidt skuffende, men også spændende endelig at løse det århundrede gamle mysterium.

"Så vi kan slappe af, alle disse talrige kondenseringseffekter og relaterede egenskaber er nu understøttet af hårde beviser snarere end en anelse om, at 'det ser ud til at virke, så derfor burde det være OK at bruge ligningen'."

Manchester-forskerne hævder, at aftalen, selv om det er kvalitativt, er også tilfældigt. Tryk involveret i kapillær kondensation under omgivende luftfugtighed overstiger 1, 000 bar, mere end det på bunden af ​​det dybeste hav. Sådanne tryk får kapillærer til at justere deres størrelse med en brøkdel af ångstrøm, hvilket er tilstrækkeligt til kun at rumme et helt antal molekylære lag indeni. Disse mikroskopiske justeringer undertrykker sammenlignelighedseffekter, så Kelvin-ligningen holder godt.

"God teori virker ofte ud over dens anvendelighedsgrænser, " sagde Geim. "Lord Kelvin var en bemærkelsesværdig videnskabsmand, gør mange opdagelser, men selv han ville sikkert blive overrasket over at finde ud af, at hans teori – oprindeligt i betragtning af millimeterstore rør – holder selv på et-atoms skala. Faktisk, i sit skelsættende papir kommenterede Kelvin om netop denne umulighed. Så vores arbejde har vist ham både ret og forkert, på samme tid."