O vapor de água do ar ambiente condensará espontaneamente dentro de materiais porosos ou entre superfícies em contato. Mas com a camada de líquido tendo apenas algumas moléculas de espessura, este fenômeno carece de compreensão, até agora.

Pesquisadores da Universidade de Manchester liderados pelo Prêmio Nobel Andre Geim - que, com Kostya Novoselov, recebeu o Prêmio Nobel de Física há 10 anos neste mês - fizeram capilares artificiais pequenos o suficiente para que o vapor de água se condensasse dentro do normal, condições ambientais.

O estudo de Manchester é intitulado "Condensação capilar sob confinamento em escala atômica, "e será publicado em Natureza . A pesquisa fornece uma solução para o quebra-cabeça de 150 anos de por que a condensação capilar, um fenômeno fundamentalmente microscópico envolvendo algumas camadas moleculares de água, pode ser descrito razoavelmente bem usando equações macroscópicas e características macroscópicas da água bruta. É uma coincidência ou uma lei oculta da natureza?

Propriedades como fricção, adesão, esticão, a lubrificação e a corrosão são fortemente afetadas pela condensação capilar. Este fenômeno é importante em muitos processos tecnológicos utilizados pela microeletrônica, farmacêutico, alimentos e outras indústrias - e mesmo castelos de areia não poderiam ser construídos se não fosse pela condensação capilar.

Cientificamente, o fenômeno é frequentemente descrito pela equação de Kelvin de 150 anos que provou ser extremamente precisa, mesmo para capilares tão pequenos quanto 10 nanômetros, um milésimo da largura do cabelo humano. Ainda, para que a condensação ocorra sob umidade normal de, digamos, 30% a 50%, os capilares devem ser muito menores, de cerca de 1 nm de tamanho. Isso é comparável ao diâmetro das moléculas de água (cerca de 0,3 nm), de modo que apenas algumas camadas moleculares de água podem caber dentro dos poros responsáveis ​​pelos efeitos comuns de condensação.

A equação macroscópica de Kelvin não poderia ser justificada para descrever propriedades envolvendo a escala molecular e, na verdade, a equação tem pouco sentido nessa escala. Por exemplo, é impossível definir a curvatura de um menisco de água, que entra na equação, se o menisco tiver apenas algumas moléculas de largura. De acordo, a equação de Kelvin tem sido usada como uma abordagem do homem pobre, pela falta de uma descrição adequada. O progresso científico tem sido prejudicado por muitos problemas experimentais e, em particular, pela rugosidade da superfície que torna difícil fazer e estudar capilares com tamanhos na escala molecular exigida.

Para criar tais capilares, os pesquisadores de Manchester montaram meticulosamente cristais atomicamente planos de mica e grafite. Eles colocaram dois desses cristais um em cima do outro com tiras estreitas de grafeno, outro cristal atomicamente fino e plano, sendo colocado no meio. As tiras atuam como espaçadores e podem ser de diferentes espessuras. Esta montagem de três camadas permitiu capilares de várias alturas. Alguns deles tinham apenas um átomo de altura, os menores capilares possíveis, e poderia acomodar apenas uma camada de moléculas de água.

Os experimentos de Manchester mostraram que a equação de Kelvin pode descrever a condensação capilar mesmo nos menores capilares, pelo menos qualitativamente. Isso não é apenas surpreendente, mas contradiz as expectativas gerais, pois a água muda suas propriedades nessa escala e sua estrutura se torna distintamente discreta e em camadas.

"Isso foi uma grande surpresa. Eu esperava um colapso completo da física convencional, "disse o Dr. Qian Yang, o principal autor do Natureza relatório. "A velha equação acabou funcionando bem. Um pouco decepcionante, mas também emocionante para finalmente resolver o mistério centenário.

"Para que possamos relaxar, todos aqueles numerosos efeitos de condensação e propriedades relacionadas agora são apoiados por evidências concretas, em vez de um palpite de que 'parece funcionar, portanto, não há problema em usar a equação'. "

Os pesquisadores de Manchester argumentam que o acordo, embora qualitativo, também é fortuito. As pressões envolvidas na condensação capilar sob umidade ambiente excedem 1, 000 barras, mais do que isso no fundo do oceano mais profundo. Tais pressões fazem com que os capilares ajustem seus tamanhos em uma fração de angstrom, o que é suficiente para acomodar apenas um número inteiro de camadas moleculares dentro. Esses ajustes microscópicos suprimem os efeitos de comensurabilidade, permitindo que a equação de Kelvin funcione bem.

"A boa teoria geralmente funciona além de seus limites de aplicabilidade, "disse Geim." Lord Kelvin era um cientista notável, fazendo muitas descobertas, mas até mesmo ele certamente ficaria surpreso ao descobrir que sua teoria - originalmente considerando tubos milimétricos - se mantém mesmo na escala de um átomo. Na verdade, em seu artigo seminal, Kelvin comentou exatamente sobre essa impossibilidade. Nosso trabalho provou que ele estava certo e errado, ao mesmo tempo."