ТАСС, 9 декабря. Нобелевский лауреат Андрей Гейм и его коллеги построили самые небольшие "замки из песка". Они сделали это, чтобы проверить формулу Кельвина, которая описывает поведение паров жидкости внутри капилляров. Проверка показала, что это уравнение работает даже для объектов размером в несколько атомов. Статью с описанием расчетов опубликовал научный журнал Nature.
Еще в начале позапрошлого столетия физики заметили, что внутри узких трубок и пористых материалов капли воды и других жидкостей, а также их пары, ведут себя совсем не так, как в относительно крупных сосудах. В частности, вода и керосин могут подниматься вверх через нить фитиля или по стенкам очень тонких стеклянных трубок-капилляров, преодолевая действие силы гравитации.
Благодаря другому примеру этого явления мы можем создавать песчаные замки и другие сложные конструкции из сыпучих материалов, гранулы которых удерживаются на месте благодаря скоплению воды в порах между ними. Этот эффект широко используют в быту и промышленности, кроме того, это один из важнейших инструментов по транспортировке веществ в живых организмах.
Впервые это явление теоретически описал в 1871 году британский физик Уильям Томсон, лорд Кельвин. Ученый связал этот эффект с тем, как меняется смачиваемость и давление пара воды и других жидкостей внутри капилляров и других узких сосудов. Он придумал формулу, с помощью которой можно просчитывать поведение жидкостей в подобных условиях. Ученые используют ее до сих пор.
Гейм и его коллеги проверили одно из предположений Кельвина. Ученый считал, что с помощью его уравнения нельзя просчитывать поведение молекул воды в условиях, когда ширина капилляров становится крайне малой.
За последние годы ученые выяснили, что это не совсем так. Физики обнаружили, что уравнение Кельвина так же корректно описывает поведение даже самых мелких капилляров, диаметром в несколько десятков и сотен нанометров. Поэтому ученые из Великобритании и Китая решили провести аналогичный эксперимент на атомных масштабах.
Для этого Гейм и его коллеги построили своеобразные атомные аналоги "замков из песка", которые состояти не из частиц кварца, а из плоских кристаллов графита и слюды, а также полосок графена и других двумерных материалов.
Ученые уложили их друг на друга таким образом, что внутри этой конструкции возникло множество просветов-капилляров толщиной в одну или три-четыре молекулы воды. Ученые помещали эту конструкцию в емкость с разным уровнем влажности воздуха и следили, как менялась форма графитовых или слюдяных стенок этих "замков".
Конструкция вела себя ровно так, как это предсказывает формула Кельвина. В частности, при нулевом или низком уровне влажности стенки "замка" проседали, а когда она увеличивалась до 80-90%, стенки резко выпрямлялись. Это было связано с появлением слоя жидкости внутри капилляров.
"Лорд Кельвин удивился бы, если бы узнал, что его формула, которая описывает поведение капилляров толщиной в миллиметры, работает даже на атомном уровне. В его оригинальной статье 1871 года эта возможность отрицается. Поэтому можно сказать, что мы одновременно и подтвердили, и опровергли его идею", – прокомментировал Гейм.
Гейм и его коллеги попытались теоретически объяснить это явление. Для этого они детально просчитали поведение молекул воды в подобной конструкции из кусочков графена, графита и слюды. Расчеты показали, что внутри капилляров таких небольших размеров создается огромное давление. Оно подавляет те физические процессы, которые раньше считали препятствием для работы формулы Кельвина на столь малых масштабах.
"Я ожидал, что классическая физика полностью перестанет работать на подобных масштабах. Но оказалось, что старое уравнение вполне нормально работает. Теперь мы можем расслабиться, так как мы нашли экспериментальное и теоретическое объяснение всем тем странностям в работе нанокапилляров, которые были открыты за последние годы", –подытожил коллега Гейма Цянь Ян.
