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 ha faltado comprensión, hasta ahora.

Investigadores de la Universidad de Manchester dirigidos por el Premio Nobel Andre Geim, quien, con Kostya Novoselov, fue galardonado con el Premio Nobel de Física hace 10 años este mes; han hecho capilares artificiales lo suficientemente pequeños como para que el vapor de agua se condense dentro de ellos en condiciones normales, condiciones ambientales.

El estudio de Manchester se titula "Condensación capilar bajo confinamiento a escala atómica, "y se publicará en Naturaleza . La investigación proporciona una solución para el rompecabezas de 150 años de por qué la condensación capilar, un fenómeno fundamentalmente microscópico que involucra unas pocas capas moleculares de agua, se puede describir razonablemente bien usando ecuaciones macroscópicas y características macroscópicas del agua a granel. ¿Es una coincidencia o una ley oculta de la naturaleza?

Propiedades tales como la fricción, adhesión, stiction 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, farmacéutico, alimentos y otras industrias, e incluso castillos de arena no podrían construirse si no fuera por la condensación capilar.

Científicamente, El fenómeno a menudo se describe mediante la ecuación de Kelvin de 150 años que ha demostrado ser notablemente precisa. incluso para capilares tan pequeños como 10 nanómetros, una milésima parte del ancho del cabello humano. Todavía, para que se produzca condensación bajo una humedad normal de, por ejemplo, 30% a 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 esos poros 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. Respectivamente, la ecuación de Kelvin se ha utilizado como un enfoque de los pobres, por la 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, siendo colocado en el medio. Las tiras actuaban como espaciadores y podían tener diferentes espesores. Este conjunto de tres capas permitió capilares de varias alturas. Algunos de ellos tenían solo un átomo de altura, los capilares más pequeños posibles, y podría 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, pero 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, el autor principal de la Naturaleza reporte. “La vieja ecuación resultó funcionar bien. Un poco decepcionante pero también emocionante para finalmente resolver el misterio centenario.

"Para que podamos relajarnos, todos esos numerosos efectos de condensación y propiedades relacionadas están ahora respaldados por pruebas contundentes en lugar de una corazonada de que 'parece funcionar, por lo que debería estar bien usar la ecuación' ".

Los investigadores de Manchester sostienen que el acuerdo, aunque cualitativo, también es fortuito. Las presiones involucradas en la condensación capilar bajo humedad ambiental exceden 1, 000 barras, más que eso en el fondo del océano más profundo. Estas presiones hacen que los capilares ajusten su tamaño en una fracción de angstrom, lo cual es suficiente para acomodar solo un número entero de capas moleculares en su interior. Estos ajustes microscópicos suprimen los efectos de conmensurabilidad, permitiendo 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, haciendo 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 artículo seminal, Kelvin comentó exactamente sobre esta imposibilidad. Así que nuestro trabajo demostró que él estaba en lo cierto y en lo incorrecto. al mismo tiempo."