Fin a una disputa científica que duraba 150 años: aclaran por qué se mantienen en pie los castillos de arena

Los científicos han tenido que confiar en una ecuación establecida por primera vez por el físico victoriano Lord Kelvin hace 150 años para explicar cómo funciona la condensación capilar, el fenómeno que mantiene en pie los castillos de arena

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castillos de arena
Un castillo re arena

Los científicos han tenido que confiar en una ecuación establecida por primera vez por el físico victoriano Lord Kelvin hace 150 años para explicar cómo funciona la condensación capilar, el fenómeno que mantiene en pie los castillos de arena, por ejemplo. Ahora, por primera vez, un equipo de la Universidad de Manchester, en Reino Unido, dirigido por el premio Nobel Andre Geim puede explicar cómo funciona realmente el proceso microscópico, según publican en la revista ‘Nature’.

El vapor de agua del aire ambiente se condensará espontáneamente dentro de materiales porosos o entre superficies en contacto. Pero como la capa líquida tiene solo unas pocas moléculas de espesor, este fenómeno omnipresente e importante no ha sido entendido hasta ahora.

Los investigadores, dirigidos por el premio Nobel Andre Geim, quien junto con Kostya Novoselov fue galardonado con el Nobel de Física hace 10 años este mes, han hecho capilares artificiales lo suficientemente pequeños como para que el vapor de agua se condense en su interior en condiciones ambientales normales.

La investigación proporciona una solución al enigma centenario de por qué la condensación capilar, un fenómeno fundamentalmente microscópico que involucra unas pocas capas moleculares de agua, puede describirse razonablemente bien utilizando ecuaciones macroscópicas y características macroscópicas del agua a granel.

La condensación capilar, un fenómeno de libro de texto, está omnipresente en el mundo que nos rodea, y propiedades tan importantes 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 los niños no podrían construir castillos de arena si no fuera por la condensación capilar.

Científicamente, el fenómeno a menudo se describe mediante la ecuación de Kelvin de 150 años que ha demostrado ser muy precisa incluso para capilares tan pequeños como 10 nanómetros, una milésima parte del ancho del cabello humano. Aún así, para que ocurra la condensación bajo una humedad normal de entre 30% a 50%, los capilares deben 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 solo 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 (la curvatura de la superficie de un líquido debida a la superficie de su recipiente), que entra en la ecuación, si el menisco tiene solo un par de moléculas de ancho.

En consecuencia, la ecuación de Kelvin se ha utilizado a 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 solo un átomo de altura, los capilares más pequeños posibles y podían albergar solo 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 solo es sorprendente, sino que contradice las expectativas generales, ya que el agua cambia sus propiedades a esta escala y su estructura se vuelve claramente discreta y en capas.

«Esto fue una gran sorpresa. Esperaba un colapso completo de la física convencional –reconoce el doctor Qian Yang, autor principal del informe–. La vieja ecuación resultó funcionar bien. Un poco decepcionante pero también emocionante para finalmente resolver el misterio centenario».

«Para que podamos relajarnos, todos esos numerosos efectos de condensación y propiedades relacionadas están ahora respaldados por pruebas contundentes en lugar de una corazonada de que ‘parece funcionar, por lo tanto, debería estar bien usar la ecuación'», añade.

Los investigadores de Manchester sostienen que el acuerdo encontrado, 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 sus tamaños en una fracción de angstrom, que es suficiente para acomodar cómodamente solo 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 –explica 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 mantiene incluso en la escala de un átomo. De hecho, en su trascendente artículo Kelvin comentó acerca de exactamente esta imposibilidad. Nuestro trabajo ha demostrado que él tenía razón y estaba equivocado al mismo tiempo».

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