物理学家解决了控制沙堡物理学的150年方程式之谜

在海滩上建造沙堡是世界各地历史悠久的传统，近年来由于数百场年度比赛而提升为一种艺术形式。尽管基本的基础物理学是众所周知的，但在过去的十年左右的时间里，物理学家仍继续对这种引人入胜的粒状材料获得新的见解。最新的突破来自英格兰曼彻斯特大学的诺贝尔奖获得者安德烈·吉姆（Andre Geim）的实验室，吉姆（Geim）和他的同事在该实验室解决了一个数学难题-难题。根据刚刚发表在《自然》杂志上的一篇新论文，开尔文方程式可以追溯到150年前。

制造沙堡所需的全部只是沙子和水。水就像一种胶，通过毛细作用力将沙粒保持在一起。研究表明，建造结构合理的沙堡的理想比例是每八桶沙中要浇一桶水，尽管仍然可以建造一个含水量变化的体面结构。但是，如果您想建造那种能赢得比赛的精致高耸的沙堡，明智的做法就是坚持理想的比例。

早在2008年，物理学家就决定深入研究为什么沙子在变湿时会变粘。他们使用X射线显微照相技术拍摄了湿玻璃珠的3D图像，其形状和大小与沙粒相似。当他们将液体添加到干燥的珠子中时，他们观察到了液体＆＃34;毛细管桥＆＃34;。在各个小珠之间形成。添加更多的液体会使桥变得更大，并且这种情况发生时，胎圈表面会与更多的水接触，从而进一步增加了粘合效果。但是，随着桥结构的增大，毛细作用力的相应减小抵消了增加的结合作用。研究小组得出结论，即使水分含量发生变化，将珠子粘合在一起的力也不会改变。

阿姆斯特丹大学的物理学家丹尼尔·波恩（Daniel Bonn）认为，这类似于肥皂泡趋向于球形的原因在于，肥皂泡的形状可最大程度地减小总表面积，从而使用最少的能量。多年来用沙子进行了几次实验。波恩已经成为建造完美沙堡的专家。同样，两个沙粒之间的少量水会形成一个小的液桥，从而使水和空气之间的表面积最小化。他在2015年告诉Vice。＆＃34;如果其中一个相对于另一个移动，则一个会自动创建表面积。这会浪费能量，因此会产生变形阻力。＆＃34;

在数学上，这种毛细管冷凝现象（即，周围空气中的水蒸气将如何自发地凝结在多孔材料内部或接触表面之间）通常由威廉·汤普森爵士（后来的开尔文爵士）设计的方程式描述，并在1871年的论文中首次引用。 。虽然它是一个宏观方程，但事实证明，精确到10纳米尺度都非常精确，但是缺乏能说明甚至更小的尺度的完整描述，也使物理学家长期感到沮丧。

这种冷凝的典型湿度在30％到50％之间，但是在1纳米或更小的分子尺度（水分子的直径约为0.3nm）下，在1nm内只能容纳一到两个分子层的水毛细血管。在那种规模下，开尔文方程似乎没有任何意义。这对于建造沙堡可能并不重要，但毛细管冷凝也与许多微电子，制药和食品加工行业有关。盖姆（Geim）和他的同事们找到了一种克服长期研究分子规模毛细管实验挑战的方法。

盖姆因在石墨烯上的开创性实验而获得了2010年诺贝尔物理学奖，石墨烯是一种只有一个原子厚的稀薄的普通碳薄片，赋予了该材料非同寻常的性能。物理学家努力地从石墨中分离出石墨烯（就像在铅笔中发现的那样），但是吉姆和他的曼彻斯特同事康斯坦丁·诺沃塞洛夫开发了一种新颖的方法，即使用透明胶带从石墨中收集原子厚的薄片。他还因发现水被直接反磁悬浮而获得了Ig Nobel奖，这项工作著名地涉及使用磁体在实验室中悬浮青蛙。他曾经创造出一种壁虎风格的胶带，强度足以将蜘蛛侠动作人物无限期地悬挂在天花板上。

对于这项最新的工作，Geim的团队精心制作了分子级毛细管，将云母和石墨的原子薄晶体彼此层叠在一起，在每一层之间夹有窄条石墨烯作为隔离层。通过这种方法，研究小组构建了高度不同的毛细管，包括仅高一个原子的毛细管-足以容纳一层水分子，这是可能的最小结构。

Geim等。发现开尔文方程仍然是分子尺度上毛细管缩合的出色定性描述，与预期相矛盾，因为人们期望水的特性在1nm尺度上变得更加离散和分层。显然，在这种情况下，对毛细管进行了微观调整，从而抑制了可能导致方程式崩溃的任何其他影响。

＆＃34;这是一个很大的惊喜。我希望传统物理学完全崩溃，＆＃34;合著者钱扬说。 ＆＃34;原来的方程式效果很好。最终解决百年之谜的过程有些令人失望，但也令人兴奋。因此，我们可以放松一下，所有这些众多的凝结效果和相关特性现在都得到了有力的证据支持，而不是凭直觉认为它似乎行得通，因此可以使用该方程式了。＆＃39; ;

＆＃34;好的理论通常在其适用范围之外起作用，＆＃34;吉姆说。凯尔文勋爵是一位杰出的科学家，做出了许多发现，但即使发现他的理论（最初考虑的是毫米大小的管子）也能保持一个原子级，他也一定会感到惊讶。实际上，开尔文（Kelvin）在开创性的论文中评论了这种可能性。因此，我们的工作同时证明了他的对与错。