La scienza dei castelli di sabbia

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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 reso i capillari artificiali abbastanza piccoli perché il vapore acqueo si condensi al loro interno normalmente, condizioni ambientali.

Lo studio di Manchester è intitolato “Condensazione capillare sotto confinamento su scala atomica” pubblicato su Nature. La ricerca fornisce una soluzione per l’enigma vecchio di un secolo e mezzo sul perché la condensazione capillare, un fenomeno fondamentalmente microscopico che coinvolge pochi strati molecolari di acqua, possa essere descritta ragionevolmente bene usando equazioni macroscopiche e caratteristiche macroscopiche dell’acqua alla rinfusa. È una coincidenza o una legge nascosta della natura?

La condensazione capillare, un fenomeno da manuale, è onnipresente nel mondo che ci circonda e proprietà importanti come attrito, adesione, attrito, lubrificazione e corrosione sono fortemente influenzate dalla condensa capillare. Questo fenomeno è importante in molti processi tecnologici utilizzati dalla microelettronica, farmaceutica, alimentare e altre industrie – e anche i castelli di sabbia non potrebbero essere costruiti dai bambini se non per la condensazione capillare.

Scientificamente, il fenomeno è spesso descritto dall’equazione Kelvin di 150 anni che si è dimostrata notevolmente accurata anche per capillari piccoli come 10 nanometri, un millesimo della larghezza dei capelli umani.

Tuttavia, affinché la condensa si verifichi con un’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), così che solo un paio di strati molecolari di acqua possono entrare in 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, in effetti, l’equazione ha poco senso a questa scala. Ad esempio, è impossibile definire la curvatura di un menisco d’acqua, 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 la realizzazione e lo studio di capillari con dimensioni alla scala molecolare richiesta.

Per creare tali capillari, i ricercatori di Manchester hanno assemblato meticolosamente cristalli atomicamente piatti di mica e grafite. Mettono due di questi cristalli uno sopra l’altro con strisce strette di grafene, un altro cristallo piatto e atomicamente sottile, posto in mezzo.

Le strisce fungevano da distanziatori e potevano essere di diverso spessore. Questo assemblaggio a tre strati permetteva capillari di varie altezze. Alcuni di loro erano alti solo un atomo, i più piccoli capillari possibili e potevano 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. Ciò 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 discreta e stratificata.

“Questa è stata una grande sorpresa. Mi aspettavo una rottura completa della fisica convenzionale”, ha detto il dottor Qian Yang, l’autore principale del rapporto Nature. La vecchia equazione si è rivelata funzionare bene. Un po ‘deludente ma anche eccitante per risolvere finalmente il mistero secolare.

“Così possiamo rilassarci, tutti quei numerosi effetti di condensazione e le proprietà correlate sono ora supportati da prove concrete piuttosto che dall’intuizione che” sembra funzionare quindi dovrebbe essere OK usare l’equazione “.”

I ricercatori di Manchester sostengono che l’accordo trovato, sebbene qualitativo, è anche fortuito. Le pressioni coinvolte nella condensazione capillare in condizioni di umidità ambientale superano i 1.000 bar, più di quella sul fondo dell’oceano più profondo. Tali pressioni fanno sì che i capillari regolino le loro dimensioni di una frazione di angstrom, che è sufficiente per accogliere comodamente solo un numero intero di strati molecolari all’interno. Questi aggiustamenti microscopici sopprimono gli effetti di commensurabilità, consentendo all’equazione di Kelvin di reggersi bene.

“Una buona teoria spesso funziona oltre i suoi limiti di applicabilità”, ha detto Geim.

“Lord Kelvin era uno scienziato straordinario, che fece molte scoperte, ma anche lui sarebbe stato sicuramente sorpreso di scoprire che la sua teoria – che originariamente considerava tubi di dimensioni millimetriche – è valida anche sulla scala di un atomo. Infatti, nel suo articolo fondamentale Kelvin ha commentato esattamente questa impossibilità.

“Quindi, il nostro lavoro ha dimostrato che aveva ragione e torto, allo stesso tempo.”

Fonte della storia:
Materiali forniti dall’Università di Manchester .

Riferimento alla rivista :
Qian Yang, PZ Sun, L. Fumagalli, YV Stebunov, SJ Haigh, ZW Zhou, IV Grigorieva, FC Wang, AK Geim. Condensazione capillare in confinamento su scala atomica . Natura , 2020; 588 (7837): 250 DOI: 10.1038 / s41586-020-2978-1

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