Waterdamp uit de omgevingslucht condenseert spontaan in poreuze materialen of tussen elkaar rakende oppervlakken. Maar omdat de vloeistoflaag maar een paar moleculen dik is, dit fenomeen heeft een gebrek aan begrip, tot nu.

Onderzoekers van de Universiteit van Manchester onder leiding van Nobelprijswinnaar Andre Geim, die, met Kostya Novoselov, kreeg deze maand 10 jaar geleden de Nobelprijs voor Natuurkunde - kunstmatige capillairen hebben gemaakt die klein genoeg zijn om waterdamp erin te laten condenseren onder normale, omgevingsomstandigheden.

De Manchester-studie is getiteld "Capillaire condensatie onder opsluiting op atomaire schaal, " en zal worden gepubliceerd in Natuur . Het onderzoek biedt een oplossing voor de 150 jaar oude puzzel waarom capillaire condensatie, een fundamenteel microscopisch fenomeen waarbij een paar moleculaire waterlagen betrokken zijn, kan redelijk goed worden beschreven met behulp van macroscopische vergelijkingen en macroscopische kenmerken van bulkwater. Is het toeval of een verborgen natuurwet?

Eigenschappen als wrijving, hechting, stimulering, smering en corrosie worden sterk beïnvloed door capillaire condensatie. Dit fenomeen is belangrijk in veel technologische processen die worden gebruikt door micro-elektronica, farmaceutisch, voedsel en andere industrieën - en zelfs zandkastelen zouden niet kunnen worden gebouwd zonder capillaire condensatie.

wetenschappelijk, het fenomeen wordt vaak beschreven door de 150 jaar oude Kelvin-vergelijking die opmerkelijk nauwkeurig is gebleken, zelfs voor haarvaten zo klein als 10 nanometer, een duizendste van de breedte van een mensenhaar. Nog altijd, voor condensatie bij een normale luchtvochtigheid van bijvoorbeeld 30% tot 50%, haarvaten moeten veel kleiner zijn, van ongeveer 1 nm groot. Dit is vergelijkbaar met de diameter van watermoleculen (ongeveer 0,3 nm), zodat er maar een paar moleculaire waterlagen in de poriën passen die verantwoordelijk zijn voor veel voorkomende condensatie-effecten.

De macroscopische Kelvin-vergelijking kon niet worden gerechtvaardigd voor het beschrijven van eigenschappen met betrekking tot de moleculaire schaal en, in feite, de vergelijking heeft weinig zin op deze schaal. Bijvoorbeeld, het is onmogelijk om de kromming van een watermeniscus te definiëren, die de vergelijking binnenkomt, als de meniscus maar een paar moleculen breed is. Overeenkomstig, de Kelvin-vergelijking is gebruikt als een benadering van een arme man, wegens het ontbreken van een goede beschrijving. De wetenschappelijke vooruitgang is belemmerd door veel experimentele problemen en, vooral, door oppervlakteruwheid die het moeilijk maakt om capillairen te maken en te bestuderen met afmetingen op de vereiste moleculaire schaal.

Om dergelijke haarvaten te creëren, de Manchester-onderzoekers hebben nauwgezet atomair platte kristallen van mica en grafiet geassembleerd. Ze legden twee van dergelijke kristallen op elkaar met smalle stroken grafeen, een ander atomair dun en plat kristal, tussen geplaatst worden. De stroken fungeerden als afstandhouders en konden van verschillende dikte zijn. Dit drielaagse samenstel maakte capillairen van verschillende hoogtes mogelijk. Sommige waren slechts één atoom hoog, de kleinst mogelijke haarvaten, en kon slechts één laag watermoleculen bevatten.

De Manchester-experimenten hebben aangetoond dat de Kelvin-vergelijking capillaire condensatie zelfs in de kleinste haarvaten kan beschrijven, althans kwalitatief. Dit is niet alleen verrassend, maar is in tegenspraak met de algemene verwachtingen omdat water zijn eigenschappen op deze schaal verandert en zijn structuur duidelijk discreet en gelaagd wordt.

"Dit kwam als een grote verrassing. Ik verwachtte een complete ineenstorting van de conventionele natuurkunde, " zei Dr. Qian Yang, de hoofdauteur van de Natuur verslag doen van. "De oude vergelijking bleek goed te werken. Een beetje teleurstellend maar ook spannend om eindelijk het eeuwenoude mysterie op te lossen.

"Zodat we kunnen ontspannen, al die talrijke condensatie-effecten en gerelateerde eigenschappen worden nu ondersteund door hard bewijs in plaats van een vermoeden dat 'het lijkt te werken, dus daarom zou het OK moeten zijn om de vergelijking te gebruiken.'"

De Manchester-onderzoekers stellen dat de overeenkomst, hoewel kwalitatief, is ook toevallig. Drukken betrokken bij capillaire condensatie onder omgevingsvochtigheid hoger dan 1, 000 bar, meer dan dat op de bodem van de diepste oceaan. Dergelijke drukken zorgen ervoor dat haarvaten hun grootte aanpassen met een fractie van angstrom, wat voldoende is om slechts een geheel aantal moleculaire lagen binnenin te huisvesten. Deze microscopische aanpassingen onderdrukken de effecten van de vergelijkbaarheid, waardoor de Kelvin-vergelijking goed standhoudt.

"Een goede theorie werkt vaak buiten zijn toepasbaarheidslimieten, " zei Geim. "Lord Kelvin was een opmerkelijke wetenschapper, hij deed veel ontdekkingen, maar zelfs hij zou zeker verbaasd zijn als hij zou ontdekken dat zijn theorie - oorspronkelijk rekening houdend met millimetergrote buizen - zelfs op de schaal van één atoom standhoudt. In feite, in zijn baanbrekende artikel gaf Kelvin commentaar op precies deze onmogelijkheid. Dus ons werk heeft hem zowel gelijk als ongelijk bewezen, tegelijkertijd."