Vattenånga från omgivande luft kondenserar spontant inuti porösa material eller mellan berörande ytor. Men med vätskeskiktet som bara är några få molekyler tjockt, detta fenomen har saknat förståelse, tills nu.

Forskare vid University of Manchester under ledning av nobelpristagaren Andre Geim - som, med Kostya Novoselov, fick Nobelpriset för fysik för 10 år sedan den här månaden - har gjort konstgjorda kapillärer tillräckligt små för att vattenånga ska kondensera inuti dem under normal, omgivningsförhållanden.

Manchester-studien har titeln "Kapillärkondensation under atomskala, " och kommer att publiceras i Natur . Forskningen ger en lösning för det 150 år gamla pusslet om varför kapillär kondensation, ett fundamentalt mikroskopiskt fenomen som involverar några molekylära vattenlager, kan beskrivas någorlunda väl med hjälp av makroskopiska ekvationer och makroskopiska egenskaper hos bulkvatten. Är det en slump eller en dold naturlag?

Sådana egenskaper som friktion, adhesion, styckning, smörjning och korrosion påverkas starkt av kapillärkondens. Detta fenomen är viktigt i många tekniska processer som används av mikroelektronik, farmaceutisk, livsmedel och andra industrier - och till och med sandslott kunde inte byggas om inte för kapillär kondens.

Vetenskapligt, Fenomenet beskrivs ofta av den 150 år gamla Kelvin-ekvationen som har visat sig vara anmärkningsvärt korrekt, även för kapillärer så små som 10 nanometer, en tusendel av människohårets bredd. Fortfarande, för att kondens uppstår under normal luftfuktighet på säg 30 % till 50 %, kapillärer bör vara mycket mindre, ca 1 nm i storlek. Detta är jämförbart med diametern på vattenmolekyler (ca 0,3 nm), så att endast ett par molekylära lager av vatten kan passa in i de porer som är ansvariga för vanliga kondenseffekter.

Den makroskopiska Kelvin-ekvationen kunde inte motiveras för att beskriva egenskaper som involverar den molekylära skalan och, faktiskt, ekvationen har liten mening i denna skala. Till exempel, det är omöjligt att definiera krökningen av en vattenmenisk, som går in i ekvationen, om menisken bara är ett par molekyler bred. Följaktligen, Kelvin-ekvationen har använts som en fattig mans tillvägagångssätt, i brist på en ordentlig beskrivning. Vetenskapliga framsteg har hindrats av många experimentella problem och, särskilt, genom ytjämnhet som gör det svårt att göra och studera kapillärer med storlekar i erforderlig molekylskala.

För att skapa sådana kapillärer, Manchester -forskarna monterade noggrant atomiskt platta kristaller av glimmer och grafit. De satte två sådana kristaller ovanpå varandra med smala remsor av grafen, en annan atomärt tunn och platt kristall, placeras emellan. Remsorna fungerade som distanser och kunde ha olika tjocklek. Denna trilageraggregat tillät kapillärer i olika höjder. Vissa av dem var bara en atom höga, minsta möjliga kapillärer, och kunde rymma bara ett lager av vattenmolekyler.

Manchester-experimenten har visat att Kelvin-ekvationen kan beskriva kapillärkondensation även i de minsta kapillärerna, åtminstone kvalitativt. Detta är inte bara förvånande, men motsäger allmänna förväntningar när vatten förändrar dess egenskaper i denna skala och dess struktur blir tydligt diskret och skiktad.

"Detta kom som en stor överraskning. Jag förväntade mig ett fullständigt sammanbrott av konventionell fysik, " sa Dr. Qian Yang, huvudförfattaren till Natur Rapportera. "Den gamla ekvationen visade sig fungera bra. Lite nedslående men också spännande att äntligen lösa det hundra gamla mysteriet.

"Så vi kan slappna av, alla dessa många kondenseffekter och relaterade egenskaper stöds nu av hårda bevis snarare än en aning om att "det verkar fungera så därför borde det vara OK att använda ekvationen."

Manchester -forskarna hävdar att avtalet, även om det är kvalitativt, är också slumpmässigt. Trycket inblandat i kapillärkondens under luftfuktighet överstiger 1, 000 bar, mer än så på botten av det djupaste havet. Sådana tryck får kapillärerna att justera sina storlekar med en bråkdel av ångström, vilket är tillräckligt för att endast rymma ett helt antal molekylära lager inuti. Dessa mikroskopiska justeringar undertrycker jämförbarhetseffekter, låter Kelvin-ekvationen hålla bra.

"God teori fungerar ofta bortom dess tillämpningsgränser, " sade Geim. "Lord Kelvin var en märklig vetenskapsman, gör många upptäckter men även han skulle säkert bli förvånad över att upptäcka att hans teori-ursprungligen med tanke på millimeterstora rör-håller till och med på en atoms skala. Faktiskt, i sin framträdande tidning kommenterade Kelvin exakt denna omöjlighet. Så vårt arbete har visat honom både rätt och fel, på samma gång."