La vapeur d’eau de l’air ambiant se condense spontanément à l’intérieur des matériaux poreux ou entre les surfaces en contact. Mais la couche liquide n’ayant que quelques molécules d’épaisseur, ce phénomène omniprésent et important n’a jusqu’à présent pas été compris.
Des chercheurs de l’Université de Manchester dirigés par le lauréat du prix Nobel Andre Geim – qui, avec Kostya Novoselov, a reçu le prix Nobel de physique il y a 10 ans ce mois-ci – ont fabriqué des capillaires artificiels suffisamment petits pour que la vapeur d’eau s’y condense dans des conditions ambiantes normales. .
L’étude de Manchester s’intitule «Condensation capillaire sous confinement à l’échelle atomique» et sera publiée dans Nature. La recherche fournit une solution au casse-tête centenaire et demi de la raison pour laquelle la condensation capillaire, un phénomène fondamentalement microscopique impliquant quelques couches moléculaires d’eau, peut être assez bien décrite en utilisant des équations macroscopiques et des caractéristiques macroscopiques de l’eau en vrac. Est-ce une coïncidence ou une loi cachée de la nature?
La condensation capillaire, phénomène classique, est omniprésente dans le monde qui nous entoure, et des propriétés aussi importantes que le frottement, l’adhérence, la stiction, la lubrification et la corrosion sont fortement affectées par la condensation capillaire. Ce phénomène est important dans de nombreux processus technologiques utilisés par les industries microélectronique, pharmaceutique, alimentaire et autres – et même les châteaux de sable ne pourraient pas être construits par des enfants si ce n’est pour la condensation capillaire.
Scientifiquement, le phénomène est souvent décrit par l’équation de Kelvin vieille de 150 ans qui s’est avérée remarquablement précise même pour des capillaires aussi petits que 10 nanomètres, un millième de la largeur des cheveux humains. Néanmoins, pour que la condensation se produise sous une humidité normale de 30% à 50%, par exemple, les capillaires doivent être beaucoup plus petits, d’une taille d’environ 1 nm. Ceci est comparable au diamètre des molécules d’eau (environ 0,3 nm), de sorte que seules quelques couches moléculaires d’eau peuvent s’insérer à l’intérieur des pores responsables des effets de condensation courants.
L’équation macroscopique de Kelvin ne pouvait pas être justifiée pour décrire des propriétés impliquant l’échelle moléculaire et, en fait, l’équation a peu de sens à cette échelle. Par exemple, il est impossible de définir la courbure d’un ménisque d’eau, qui entre dans l’équation, si le ménisque n’a que quelques molécules de large. En conséquence, l’équation de Kelvin a été utilisée comme une approche du pauvre, faute de description appropriée. Les progrès scientifiques ont été entravés par de nombreux problèmes expérimentaux et, en particulier, par la rugosité de surface qui rend difficile la réalisation et l’étude de capillaires de tailles à l’échelle moléculaire requise.
Pour créer de tels capillaires, les chercheurs de Manchester ont minutieusement assemblé des cristaux atomiquement plats de mica et de graphite. Ils mettent deux de ces cristaux l’un sur l’autre avec d’étroites bandes de graphène, un autre cristal atomiquement mince et plat, placé entre les deux. Les bandes agissaient comme des entretoises et pouvaient être d’épaisseur différente. Cet assemblage à trois couches a permis des capillaires de différentes hauteurs. Certains d’entre eux n’étaient qu’un atome haut, les plus petits capillaires possibles, et pourrait accueillir une seule couche de molécules d’eau.
Les expériences de Manchester ont montré que l’équation de Kelvin peut décrire la condensation capillaire même dans les plus petits capillaires, au moins qualitativement. Ceci n’est pas seulement surprenant, mais contredit les attentes générales car l’eau change ses propriétés à cette échelle et sa structure devient distinctement discrète et stratifiée.
«Cela a été une grande surprise. Je m’attendais à une rupture complète de la physique conventionnelle », a déclaré le Dr Qian Yang, auteur principal du rapport Nature. «L’ancienne équation s’est avérée bien fonctionner. Un peu décevant mais aussi passionnant pour enfin résoudre le mystère centenaire.
«Pour que nous puissions nous détendre, tous ces nombreux effets de condensation et propriétés connexes sont maintenant étayés par des preuves tangibles plutôt que par une intuition selon laquelle« cela semble fonctionner, donc il devrait être acceptable d’utiliser l’équation ».»
Les chercheurs de Manchester soutiennent que l’accord trouvé, bien que qualitatif, est également fortuit. Les pressions impliquées dans la condensation capillaire sous humidité ambiante dépassent les 1000 bars, plus que celle au fond de l’océan le plus profond. De telles pressions amènent les capillaires à ajuster leurs tailles d’une fraction d’angström, ce qui est suffisant pour loger parfaitement seulement un nombre entier de couches moléculaires à l’intérieur. Ces ajustements microscopiques suppriment les effets de commensurabilité, permettant à l’équation Kelvin de bien tenir.
«Une bonne théorie fonctionne souvent au-delà de ses limites d’applicabilité», a déclaré Geim.
«Lord Kelvin était un scientifique remarquable, faisant de nombreuses découvertes, mais même lui serait sûrement surpris de constater que sa théorie – considérant à l’origine des tubes de taille millimétrique – tient même à l’échelle d’un atome. En fait, dans son article fondateur, Kelvin a commenté exactement cette impossibilité.
«Ainsi, notre travail lui a prouvé à la fois raison et tort.»
Seigneur Kelvin
Sir William Thomson, plus tard Lord Kelvin (1824-1907), fit pour la première fois référence à sa célèbre équation dans un article intitulé «Sur l’équilibre de la vapeur à une surface courbe de liquide» publié en 1871 dans le Philosophical Magazine. Les contributions significatives de Kelvin à la science ont inclus un rôle majeur dans le développement de la deuxième loi de la thermodynamique; l’échelle de température absolue (mesurée en kelvins); la théorie dynamique de la chaleur; l’analyse mathématique de l’électricité et du magnétisme, y compris les idées de base de la théorie électromagnétique de la lumière; ainsi que des travaux fondamentaux en hydrodynamique.
Référence: «Condensation capillaire sous confinement à l’échelle atomique» 9 décembre 2020, La nature.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2978-1
