El vapor de agua del aire ambiente se condensará espontáneamente dentro de materiales porosos o entre superficies en contacto. Pero con la capa líquida de solo unas pocas moléculas de espesor, este fenómeno omnipresente e importante no ha sido entendido hasta ahora.
Investigadores de la Universidad de Manchester dirigidos por el Premio Nobel Andre Geim, quien, junto con Kostya Novoselov, recibió el Premio Nobel de Física hace 10 años este mes, han creado capilares artificiales lo suficientemente pequeños como para que el vapor de agua se condense en su interior bajocondiciones ambientales normales.
El estudio de Manchester se titula 'Condensación capilar bajo confinamiento a escala atómica' y se publicará en Naturaleza . La investigación proporciona una solución al enigma de un siglo y medio de por qué la condensación capilar, un fenómeno fundamentalmente microscópico que involucra unas pocas capas moleculares de agua, puede describirse razonablemente bien usando ecuaciones macroscópicas y características macroscópicas del agua a granel.¿Es una coincidencia o una ley oculta de la naturaleza?
La condensación capilar, un fenómeno de libro de texto, es omnipresente en el mundo que nos rodea, y propiedades tan importantes como la fricción, la adhesión, la adherencia, la lubricación y la corrosión se ven fuertemente afectadas por la condensación capilar. Este fenómeno es importante en muchos procesos tecnológicos utilizados por la microelectrónica.las industrias farmacéutica, alimentaria y otras, e incluso los niños no podrían construir castillos de arena si no fuera por la condensación capilar.
Científicamente, el fenómeno se describe a menudo mediante la ecuación de Kelvin de 150 años que ha demostrado ser muy precisa incluso para capilares tan pequeños como 10 nanómetros, una milésima parte del ancho del cabello humano. Aún así, para que la condensación se produzca en condiciones de humedad normaldel 30% al 50%, los capilares deben ser mucho más pequeños, de aproximadamente 1 nm de tamaño. Esto es comparable con el diámetro de las moléculas de agua aproximadamente 0,3 nm, de modo que solo un par de capas moleculares de agua pueden caber dentro de esosporos responsables de los efectos comunes de la condensación.
La ecuación macroscópica de Kelvin no podría justificarse para describir propiedades que involucran la escala molecular y, de hecho, la ecuación tiene poco sentido a esta escala. Por ejemplo, es imposible definir la curvatura de un menisco de agua, que entra en la ecuación, si el menisco tiene solo un par de moléculas de ancho. En consecuencia, la ecuación de Kelvin se ha utilizado como un enfoque de pobre, por falta de una descripción adecuada. El progreso científico se ha visto obstaculizado por muchos problemas experimentales y, en particular,por la rugosidad de la superficie que dificulta la fabricación y el estudio de capilares con tamaños a la escala molecular requerida.
Para crear tales capilares, los investigadores de Manchester ensamblaron minuciosamente cristales atómicamente planos de mica y grafito. Colocaron dos de esos cristales uno encima del otro con estrechas tiras de grafeno, otro cristal atómicamente delgado y plano, entre ellas. Las tirasactuaban como espaciadores y podían tener diferentes espesores. Este ensamblaje de tres capas permitía capilares de varias alturas. Algunos de ellos tenían solo un átomo de altura, los capilares más pequeños posibles y podían acomodar solo una capa de moléculas de agua.
Los experimentos de Manchester han demostrado que la ecuación de Kelvin puede describir la condensación capilar incluso en los capilares más pequeños, al menos cualitativamente. Esto no solo es sorprendente sino que contradice las expectativas generales a medida que el agua cambia sus propiedades a esta escala y su estructura se vuelve claramente discreta y estratificada..
"Esto fue una gran sorpresa. Esperaba un colapso completo de la física convencional", dijo el Dr. Qian Yang, autor principal del informe de Nature. "La vieja ecuación resultó funcionar bien. Un poco decepcionante pero también emocionante parafinalmente resolver el misterio centenario.
"Para que podamos relajarnos, todos esos numerosos efectos de condensación y propiedades relacionadas ahora están respaldados por evidencia sólida en lugar de una corazonada de que 'parece funcionar, por lo tanto, debería estar bien usar la ecuación'".
Los investigadores de Manchester argumentan que el acuerdo encontrado, aunque cualitativo, también es fortuito. Las presiones involucradas en la condensación capilar bajo la humedad ambiental superan los 1000 bares, más que en el fondo del océano más profundo. Estas presiones hacen que los capilares ajusten su tamaño enuna fracción de angstrom, que es suficiente para acomodar cómodamente solo un número entero de capas moleculares en el interior. Estos ajustes microscópicos suprimen los efectos de conmensurabilidad, lo que permite que la ecuación de Kelvin se mantenga bien.
"La buena teoría a menudo funciona más allá de sus límites de aplicabilidad", dijo Geim.
"Lord Kelvin fue un científico notable, que hizo muchos descubrimientos, pero incluso él seguramente se sorprendería al descubrir que su teoría - originalmente considerando tubos de tamaño milimétrico - se mantiene incluso en la escala de un átomo. De hecho, en su seminalKelvin comentó exactamente sobre esta imposibilidad.
"Entonces, nuestro trabajo ha demostrado que él tiene razón y está equivocado, al mismo tiempo".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Manchester . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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