La ciencia de la construcción de castillos de arena finalmente comprendida

El vapor de agua del aire ambiente se condensará espontáneamente dentro de materiales porosos o entre superficies en contacto. Pero dado que la capa líquida tiene sólo unas pocas moléculas de espesor, este fenómeno no ha sido entendido plenamente hasta ahora. Investigadores de la Universidad de Manchester dirigidos por el premio Nobel Andre Geim, quien junto con Kostya Novoselov fue galardonado con el Premio Nobel de Física hace 10 años justo este mes, han creado capilares artificiales lo suficientemente pequeños como para que el vapor de agua se condense en su interior en condiciones ambientales normales.

El estudio de Manchester se titula «Condensación capilar bajo confinamiento a escala atómica» y se ha publicado en Nature. La investigación proporciona una solución al rompecabezas de 150 años de por qué la condensación capilar, un fenómeno fundamentalmente microscópico que involucra unas pocas capas moleculares de agua, puede describirse razonablemente bien usando ecuaciones macroscópicas y características macroscópicas del agua a granel.

Propiedades tales como la fricción, la adhesión, la adherencia, 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, la farmacéutica, la alimentación y otras industrias, e incluso no se podrían construir castillos de arena si no fuera por la condensación capilar.

«Ésto fue una gran sorpresa. Esperaba un colapso completo de la física convencional»

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. Aun así, para que se produzca condensación bajo una humedad normal de, digamos, 30% a 50%, los capilares deberían ser mucho más pequeños, de aproximadamente 1 nm de tamaño. Esto es comparable con el diámetro de las moléculas de agua (alrededor de 0,3 nm), por lo que sólo un par de capas moleculares de agua pueden caber dentro de los 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 ─un menisco en física es una curvatura de la superficie de un líquido que se produce en respuesta a la superficie de su recipiente─, que entra en la ecuación, si el menisco tiene sólo un par de moléculas de ancho. En consecuencia, la ecuación de Kelvin se ha utilizado como un enfoque pobre, por 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. Pusieron dos de esos cristales uno encima del otro con tiras estrechas de grafeno, otro cristal plano y atómicamente delgado, entre ellas. Las tiras actuaban como espaciadores y podían tener diferentes espesores. Este montaje de tres capas permitió capilares de varias alturas. Algunos de ellos tenían sólo un átomo de altura, los capilares más pequeños posibles y podían albergar sólo 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 sólo es sorprendente, sino que contradice las expectativas, ya que el agua cambia sus propiedades a esta escala y su estructura se vuelve claramente discreta y capilar.

Lord Kelvin y la ciencia de la construcción de los castillos de arena

«Ésto fue una gran sorpresa. Esperaba un colapso completo de la física convencional«, comenta el Dr. Qian Yang, autor principal del artículo de Nature. “La vieja ecuación resultó funcionar bien. Un poco decepcionante pero también emocionante, ya que finalmente se resuelve un misterio centenario. Para que podamos relajarnos, todos esos numerosos efectos de condensación y propiedades relacionadas ahora están respaldados por evidencia sólida en lugar de una corazonada de que ‘parece funcionar, por lo tanto, debería estar bien usar la ecuación’ para estos casos«.

Los investigadores de Manchester sostienen que el acuerdo, aunque cualitativo, también es fortuito. Las presiones involucradas en la condensación capilar bajo la humedad ambiental superan los 1.000 bares, más que en el fondo del océano más profundo. Estas presiones hacen que los capilares ajusten su tamaño en una fracción de angstrom, que es suficiente para acomodar sólo un número entero de capas moleculares en su interior. Estos ajustes microscópicos suprimen los efectos de conmensurabilidad, lo que permite que la ecuación de Kelvin se mantenga bien.

«La buena teoría a menudo funciona más allá de sus límites de aplicabilidad«, insiste Geim. «Lord Kelvin fue un científico notable, que hizo muchos descubrimientos, pero incluso él seguramente se sorprendería al descubrir que su teoría —originalmente considerando tubos de tamaño milimétrico— se sostiene incluso en la escala de un átomo. De hecho, en su artículo seminal Kelvin comentó acerca de exactamente esta imposibilidad. Así que nuestro trabajo ha demostrado que él tiene razón y está equivocado al mismo tiempo«.

Fuente: Nature.