Věda o stavbě hradů z písku, kterou záhadně vysvětluje „Kelvinova rovnice“ po dobu 150 let, je konečně pochopena

Vodní pára z okolního vzduchu kondenzuje spontánně v porézních materiálech nebo mezi dotykovými povrchy. Protože kapalná vrstva má tloušťku jen několika molekul, tento všudypřítomný a důležitý jev dosud nebyl pochopen.

Vědci z University of Manchester, vedeni laureátem Nobelovy ceny Andre Geimem, který před 10 lety získal Nobelovu cenu za fyziku s Kostyou Novoselovem, vytvořili umělé kapiláry tak malé, že v nich za normálních okolních podmínek může kondenzovat vodní pára.

Manchesterská studie má název „Kapilární kondenzace pod atomovým omezením“ a je publikována v Nature. Výzkum poskytuje řešení k století a půl starému tajemství, proč lze kapilární kondenzaci, zásadně mikroskopický jev zahrnující některé molekulární vrstvy vody, relativně dobře popsat pomocí makroskopických rovnic a makroskopických vlastností podzemních vod. Je to náhoda nebo skrytý zákon přírody?

Kapilární kondenzace, fenomén učebnice, je ve světě kolem nás všudypřítomná a kapilární kondenzací do značné míry ovlivňuje důležité vlastnosti, jako je tření, adheze, statické tření, mazání a koroze. Tento jev je důležitý v mnoha technologických procesech používaných v mikroelektronice, farmacii, potravinářství a dalších průmyslových odvětvích – a dokonce ani hrady z písku nemohly být postaveny dětmi bez kapilární kondenzace.

Vědecky je tento jev často popsán 150 let starou Kelvinovou rovnicí, která se ukázala pozoruhodně přesná i pro kapiláry pouze 10 nanometrů, což je jedna tisícina šířky lidských vlasů. Aby však ke kondenzaci došlo při normální vlhkosti, například 30% až 50%, měly by být kapiláry mnohem menší a měly by mít velikost přibližně 1 nm. To je srovnatelné s průměrem molekul vody (přibližně 0,3 nm), takže do pórů se vejde jen několik molekulárních vrstev vody, které jsou zodpovědné za časté kondenzační účinky.

Makroskopická Kelvinova rovnice nemohla být odůvodněna popisem vlastností ovlivňujících molekulární měřítko a ve skutečnosti má rovnice v tomto měřítku malý smysl. Například je nemožné definovat zakřivení vodního menisku, které jde do rovnice, když je meniskus široký jen několik molekul. Proto byla Kelvinova rovnice používána jako přístup chudého člověka kvůli nedostatku správného popisu. Vědeckému pokroku brání mnoho experimentálních problémů, zejména drsnost povrchu, které znesnadňují výrobu a studium kapilár velikostí v požadovaném molekulárním měřítku.

Za účelem výroby takových kapilár manchestersští vědci pečlivě sestavili atomově ploché krystaly vyrobené ze slídy a grafitu. Položte dva takové krystaly na sebe úzkými proužky Grafdalší atomově tenký a plochý krystal, který je umístěn mezi nimi. Pásy fungovaly jako rozpěrky a mohly mít různé tloušťky. Toto třívrstvé uspořádání umožňovalo kapiláry různých výšek. Některé z nich byly jen jedno atom vysoké, nejmenší možné kapiláry a mohly pojmout pouze vrstvu molekul vody.

Manchesterské experimenty ukázaly, že Kelvinova rovnice může alespoň kvalitativně popsat kapilární kondenzaci i v nejmenších kapilárách. Je to nejen překvapivé, ale jde to i proti obecným očekáváním, protože voda mění své vlastnosti v tomto měřítku a její struktura se stává jasně diskrétní a vrstvená.

“To bylo velké překvapení.” Očekával jsem úplné zhroucení konvenční fyziky, “řekl Dr. Qian Yang, hlavní autor zprávy o přírodě. “Stará rovnice se ukázala jako dobrá.” Trochu zklamáním, ale také vzrušujícím, abychom konečně vyřešili staletou záhadu.

„Abychom se uvolnili, všechny tyto četné kondenzační efekty a související vlastnosti se nyní opírají spíše o důkazy než o návrh, že„ zdá se, že funguje, takže by mělo být v pořádku použít rovnici “.“

Vědci z Manchesteru tvrdí, že shoda, i když kvalitativní, je také náhodná. Tlak, ke kterému dochází během kapilární kondenzace při vlhkosti prostředí, přesahuje 1 000 barů, více než na dně nejhlubšího oceánu. Takové tlaky způsobují, že kapiláry upravují svou velikost o zlomek angstromu, což je dostatečné pro uložení pouze integrálního počtu molekulárních vrstev uvnitř. Tyto mikroskopické úpravy potlačují účinky proporcionality a umožňují Kelvinově rovnici dobře držet.

„Dobrá teorie často funguje nad její meze použitelnosti,“ řekl Geim.

“Lord Kelvin byl pozoruhodný vědec, který dosáhl mnoha objevů, ale i on by byl jistě překvapen, že jeho teorie – původně s ohledem na trubky o průměru milimetru – platí i v měřítku jednoho atomu.” Ve skutečnosti Kelvin ve své klíčové práci komentoval právě tuto nemožnost.

„Naše práce mu dokázala, že je správné i špatné zároveň.“

Lord Kelvin

Sir William Thomson, později lord Kelvin (1824-1907), se poprvé zmínil o své slavné rovnici v článku nazvaném „O rovnováze par na zakřivené tekuté ploše“, který vyšel v časopise Philosophical Magazine v roce 1871. Kelvinovy ​​významné příspěvky k vědě hrály důležitou roli ve vývoji druhého zákona termodynamiky. stupnice absolutní teploty (měřeno v Kelvinech); dynamická teorie tepla; matematická analýza elektřiny a magnetismu, včetně základních myšlenek pro teorii elektromagnetického světla; plus základní práce v hydrodynamice.

Odkaz: „Kapilární kondenzace pod atomovými limity“ 9. prosince 2020, Příroda.
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

Lipidy na membráně mozkových buněk jsou kvůli léčbě Alzheimerovy choroby většinou přehlíženy

Byly vytvořeny vazby mezi lipidovou nerovnováhou a onemocněním, kdy změny lipidů zvyšují tvorbu amyloidových plaků, což je rys Alzheimerovy choroby. Tato nerovnováha inspirovala...

Astrofyzici jsou překvapeni neočekávanými účinky černých děr mimo jejich vlastní galaxie

Umělecká kompozice supermasivní černé díry, která reguluje vývoj jejího prostředí. Autor obrázku: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) a Dylan Nelson (Illustris-TNG) Ve středu téměř každé...

Největší australský dinosaurus – jižní titán – právě vstoupil do knih rekordů!

Australotitan cooperensis, „Southern Titan of the Cooper“. Fotografický kredit: Vlad Konstantinov, Scott Hocknull © Eromanga Natural History Museum Co je to basketbalové hřiště tak...

„Paralelní reaktory“ na bázi fotonických krystalových vláken odhalují kolektivní analogie hmotných a solitárních molekul

A. Schéma paralelních optických solitonových reaktorů založené na dutině prstencového vláknového laseru s režimem blokování. Časová optomechanická (OM) mříž umožněná fotonickými krystalovými...

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Newsletter

Subscribe to stay updated.