Vergrößern /. Der Schlüssel zu einer stabilen Sandburg liegt vor allem im angemessenen Verhältnis von Wasser zu Sand. Mathematisch werden die wirkenden Kräfte durch die „Kelvin-Gleichung“ beschrieben, auf die erstmals 1871 Bezug genommen wurde.
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Der Bau von Sandburgen an der Küste ist ein althergebrachter Brauch auf der ganzen Welt, der in jüngster Zeit aufgrund zahlreicher jährlicher Wettbewerbe zu einer Art Kunstwerk wurde. Während die grundlegende zugrunde liegende Physik bekannt ist, haben Physiker in den letzten zehn Jahren immer wieder neue Einblicke in diese faszinierenden körnigen Materialien gewonnen. Der jüngste Durchbruch kommt aus dem Labor des Nobelpreisträgers Andre Geim am College of Manchester in England, dem Ort, an dem Geim und seine Kollegen ein mathematisches Rätsel gelöst haben – die „Kelvin-Gleichung“ -, das erneut 150 Jahre lang als Antwort auf ein brandneues Papier geführt hat gedruckt in der Natur.
Alles, was Sie tatsächlich brauchen, um eine Sandburg zu bauen, ist Sand und Wasser. Das Wasser wirkt als eine Art Klebstoff, der die Sandkörner durch Kapillarkräfte zusammenhält. Untersuchungen haben gezeigt, dass das beste Verhältnis für den Bau einer strukturell soliden Sandburg ein Eimer Wasser pro acht Eimer Sand ist, obwohl es dennoch möglich ist, eine ehrliche Konstruktion mit verschiedenen Materialien mit Wassergehalt zu konstruieren. Wenn Sie jedoch die Art von kunstvollen, hoch aufragenden Sandburgen bauen möchten, die Wettbewerbe gewinnen, sind Sie schlau, bei diesem besten Verhältnis zu bleiben.
Auch 2008 beschlossen die Physiker, etwas tiefer zu untersuchen, warum Sand klebrig wird, wenn er feucht wird. Mithilfe der Röntgenmikrotomographie machten sie 3D-Bilder von feuchten Glasperlen von vergleichbarer Form und Dimension wie Sandkörner. Sobald sie trockenen Perlen Flüssigkeit hinzufügten, bemerkten sie flüssige „Kapillarbrücken“, die sich zwischen bestimmten Personenperlen bildeten. Einschließlich zusätzlicher Flüssigkeit fielen die Brücken aus, um sich größer zu entwickeln, und als dies auftrat, kamen die Wulstoberflächen hier mit zusätzlichem Wasser in Kontakt, wodurch die Bindungswirkung zusätzlich erhöht wurde. Trotzdem wurde die erhöhte Bindungswirkung durch eine entsprechend geringere Kapillarkraft aufgehoben, da die Brückengebäude größer wurden. Die Besatzung kam zu dem Schluss, dass sich die Kräfte, die die Perlen gemeinsam binden, auch bei Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts nicht ändern.
Es ist genau so, wie das Reinigen von Seifenblasen normalerweise kugelförmig ist, da dies die Form ist, die die gesamte Bodenfläche minimiert und dadurch die geringste Leistung verbraucht, als Reaktion auf Daniel Bonn, einen Physiker am College of Amsterdam, der dies durchgeführt hat eine Reihe von Experimenten mit Sand im Laufe der Zeit. Bonn hat sich zu einem Experten für den Bau der richtigen Sandburg entwickelt. „Ebenso bildet eine kleine Wassermenge zwischen zwei Sandkörnern eine kleine Flüssigkeitsbrücke, die den Boden zwischen Wasser und Luft minimiert“, informierte er Vice im Jahr 2015. „Wenn man dann ein Korn in Bezug auf das Gegenteil trifft, eines schafft routinemäßig Bodenfläche. Dies preist die Macht, und in der Folge wird es wahrscheinlich einen Widerstand gegen Verformung geben. “
Mathematisch wird diese Art der Kapillarkondensation – dh wie Wasserdampf aus der Umgebungsluft spontan in porösen Vorräten oder zwischen berührenden Oberflächen kondensiert – normalerweise durch eine Gleichung beschrieben, die von Sir William Thompson (später Lord Kelvin) entwickelt und erstmals in einem Artikel von 1871 erwähnt wurde . Es ist eine makroskopische Gleichung, die sich dennoch bis auf die 10-Nanometer-Skala als bemerkenswert korrekt erwiesen hat. Das Fehlen einer vollständigen Beschreibung, die möglicherweise noch kleinere Skalen berücksichtigt, hat die Physiker jedoch lange verärgert.
Die typische Luftfeuchtigkeit für diese Art der Kondensation liegt zwischen 30 und 50%. Bei molekularen Maßstäben von 1 Nanometer oder viel weniger (ein Wassermolekül hat einen Durchmesser von etwa 0,3 nm) können jedoch nur eine oder zwei molekulare Wasserschichten im Inneren übereinstimmen 1 nm dicke Kapillaren. Auf dieser Skala schien die Kelvin-Gleichung keinen Sinn zu ergeben. Was für den Bau von Sandburgen möglicherweise keine Rolle spielt, kann jedoch die Kapillarkondensation mit vielen mikroelektronischen, pharmazeutischen und mahlzeitverarbeitenden Industrien in Verbindung bringen. Geim und seine Kollegen entdeckten eine Methode, um die langjährigen experimentellen Herausforderungen beim Auffinden von Kapillaren auf molekularer Ebene zu bewältigen.
Geim erhielt 2010 den Nobelpreis für Physik für seine bahnbrechenden Experimente mit Graphen, einer dünnen Flocke aus seltsamem Kohlenstoff, die nur ein Atom dick ist und dem Stoff ungewöhnliche Eigenschaften verleiht. Die Physiker hatten Mühe, Graphen aus Graphit zu isolieren (ähnlich wie bei Bleistiften). Geim und sein Manchester-Kollege Konstantin Novoselov entwickelten jedoch eine neuartige Technik, bei der mithilfe von Klebeband die atomdicken Flocken aus Graphit gewonnen wurden. Darüber hinaus erhielt er einen Ig-Nobelpreis für seine Entdeckung der direkten diamagnetischen Levitation von Wasser – eine Arbeit, die bekanntermaßen die Verwendung von Magneten zum Schweben eines Frosches im Labor betraf. Und sobald er ein von Geckos inspiriertes Klebeband erstellt hat, das robust genug ist, um eine Spider-Man-Bewegung auf unbestimmte Zeit von der Decke zu hängen.
Für diese neueste Arbeit konstruierte die Geim-Crew sorgfältig Kapillaren im molekularen Maßstab, indem sie atomdünne Glimmer- und Graphitkristalle übereinander legte, wobei zwischen jeder Schicht schlanke Graphenstreifen lagen, um Abstandshalter zu bilden. Mit dieser Technik konstruierte die Besatzung Kapillaren mit verschiedenen Gipfeln zusammen mit Kapillaren, die nur ein Atom übermäßig waren – einfach ausreichend, um einer Schicht von Wassermolekülen zu entsprechen, der kleinsten solchen Konstruktion, die erreichbar war.
Geim et al. entdeckte, dass die Kelvin-Gleichung weiterhin eine wunderbare qualitative Beschreibung der Kapillarkondensation auf molekularer Ebene ist – entgegen den Erwartungen, da erwartet wird, dass sich die Eigenschaften von Wasser auf der 1-nm-Skala zu besonders diskret und geschichtet entwickeln. Anscheinend gibt es in diesem Regime mikroskopische Veränderungen an den Kapillaren, die zusätzliche Ergebnisse unterdrücken, die in jedem anderen Fall dazu führen können, dass die Gleichung wie erwartet unterbrochen wird.
„Das war ein riesiger Schock. Ich habe einen vollständigen Zusammenbruch der Standardphysik erwartet “, sagte Co-Autor Qian Yang. „Die veraltete Gleichung hat sich als effektiv erwiesen. Ein bisschen enttäuschend, aber auch aufregend, um den veralteten Thriller des Jahrhunderts endgültig zu lösen. Wir sind also in der Lage, uns zu beruhigen. All diese Kondensationsergebnisse und die damit verbundenen Eigenschaften werden tatsächlich durch erschöpfende Beweise untermauert, anstatt die Vermutung, dass es zu funktionieren scheint, also muss es später in Ordnung sein, die Gleichung zu verwenden.
„Eine gute Idee funktioniert normalerweise über ihre Anwendbarkeitsgrenzen hinaus“, sagte Geim. „Lord Kelvin war ein herausragender Wissenschaftler, der viele Entdeckungen machte, aber selbst er wäre absolut schockiert, wenn er herausfinden würde, dass seine Idee – zunächst millimetergroße Röhren in Betracht zu ziehen – auch im Ein-Atom-Maßstab Bestand hat. Tatsächlich hat Kelvin in seiner wegweisenden Arbeit genau diese Unmöglichkeit kommentiert. Unsere Arbeit hat ihn also zur gleichen Zeit als richtig und trügerisch erwiesen. “
DOI: Nature, 2020. 10.1038 / s41586-020-2978-1 (Über DOIs).
