Il vapore acqueo dell'aria ambiente si condenserà spontaneamente all'interno di materiali porosi o tra le superfici a contatto. Ma con lo strato liquido spesso solo poche molecole, questo fenomeno è mancato di comprensione, fino ad ora.

I ricercatori dell'Università di Manchester guidati dal premio Nobel Andre Geim, che, con Kostya Novoselov, è stato insignito del Premio Nobel per la fisica 10 anni fa questo mese:hanno creato capillari artificiali abbastanza piccoli da consentire al vapore acqueo di condensarsi al loro interno in condizioni normali, condizioni ambientali.

Lo studio di Manchester è intitolato "Condensazione capillare in condizioni di confinamento su scala atomica, " e sarà pubblicato in Natura . La ricerca fornisce una soluzione per il puzzle di 150 anni del perché la condensazione capillare, un fenomeno fondamentalmente microscopico che coinvolge alcuni strati molecolari di acqua, può essere descritto ragionevolmente bene usando equazioni macroscopiche e caratteristiche macroscopiche dell'acqua sfusa. È una coincidenza o una legge nascosta della natura?

Tali proprietà come attrito, adesione, stizione, la lubrificazione e la corrosione sono fortemente influenzate dalla condensa capillare. Questo fenomeno è importante in molti processi tecnologici utilizzati dalla microelettronica, farmaceutico, industrie alimentari e di altro tipo, e persino castelli di sabbia non potrebbero essere costruiti se non per la condensazione capillare.

Scientificamente, il fenomeno è spesso descritto dall'equazione di Kelvin vecchia di 150 anni che si è dimostrata notevolmente accurata, anche per capillari piccoli fino a 10 nanometri, un millesimo della larghezza di un capello umano. Ancora, per la formazione di condensa in condizioni di umidità normale, diciamo dal 30% al 50%, i capillari dovrebbero essere molto più piccoli, di circa 1 nm di dimensione. Questo è paragonabile al diametro delle molecole d'acqua (circa 0,3 nm), in modo che solo un paio di strati molecolari d'acqua possano inserirsi all'interno di quei pori responsabili dei comuni effetti di condensa.

L'equazione di Kelvin macroscopica non può essere giustificata per descrivere proprietà che coinvolgono la scala molecolare e, infatti, l'equazione ha poco senso a questa scala. Per esempio, è impossibile definire la curvatura di un menisco idrico, che entra nell'equazione, se il menisco è largo solo un paio di molecole. Di conseguenza, l'equazione di Kelvin è stata usata come approccio da poveri, per la mancanza di una descrizione adeguata. Il progresso scientifico è stato ostacolato da molti problemi sperimentali e, in particolare, dalla rugosità superficiale che rende difficile realizzare e studiare capillari con dimensioni alla scala molecolare richiesta.

Per creare tali capillari, i ricercatori di Manchester hanno accuratamente assemblato cristalli atomicamente piatti di mica e grafite. Hanno messo due di questi cristalli uno sopra l'altro con strette strisce di grafene, un altro cristallo atomicamente sottile e piatto, essere messo in mezzo. Le strisce fungevano da distanziatori e potevano essere di diverso spessore. Questo assieme a tre strati permetteva capillari di varie altezze. Alcuni di loro erano alti solo un atomo, i capillari più piccoli possibili, e potrebbe ospitare solo uno strato di molecole d'acqua.

Gli esperimenti di Manchester hanno dimostrato che l'equazione di Kelvin può descrivere la condensazione capillare anche nei capillari più piccoli, almeno qualitativamente. Questo non è solo sorprendente, ma contraddice le aspettative generali poiché l'acqua cambia le sue proprietà a questa scala e la sua struttura diventa distintamente distinta e stratificata.

"Questa è stata una grande sorpresa. Mi aspettavo un completo crollo della fisica convenzionale, " ha detto il dottor Qian Yang, l'autore principale di Natura rapporto. "La vecchia equazione si è rivelata funzionare bene. Un po' deludente ma anche emozionante per risolvere finalmente il mistero secolare.

"Così possiamo rilassarci, tutti quei numerosi effetti di condensazione e proprietà correlate sono ora supportati da prove concrete piuttosto che dall'impressione che "sembra funzionare, quindi dovrebbe essere corretto utilizzare l'equazione"."

I ricercatori di Manchester sostengono che l'accordo, anche se qualitativo, è anche fortuito. Le pressioni coinvolte nella condensazione capillare in condizioni di umidità ambientale superano 1, 000 bar, più di quello in fondo all'oceano più profondo. Tali pressioni fanno sì che i capillari regolino le loro dimensioni di una frazione di angstrom, che è sufficiente per ospitare solo un numero intero di strati molecolari all'interno. Questi aggiustamenti microscopici sopprimono gli effetti di commensurabilità, permettendo all'equazione di Kelvin di reggere bene.

"La buona teoria spesso funziona oltre i suoi limiti di applicabilità, " disse Geim. "Lord Kelvin era uno scienziato straordinario, facendo molte scoperte, ma anche lui sarebbe sicuramente sorpreso di scoprire che la sua teoria, che originariamente considerava tubi di dimensioni millimetriche, regge anche sulla scala di un atomo. Infatti, nel suo articolo fondamentale Kelvin ha commentato proprio questa impossibilità. Quindi il nostro lavoro gli ha dato ragione e torto, allo stesso tempo."