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堆出沙堡的背後物理學,確認可用開爾文方程描述

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发表于 12-12-2020 09:21 AM | 显示全部楼层 |阅读模式
https://technews.tw/2020/12/11/kelvin-equation-capillary-action-sandcastle/

去海邊最過癮的莫過於打造一座壯觀沙堡,只要將水與沙混合至正確比例就可變「堅固」。150 年來,科學家知道背後機制是毛細管作用,但卻一直搞不懂為何可用宏觀方程描述這種微觀現象。直到最近,曼徹斯特大學團隊的實驗終於解決這項難題,且顛覆原本認為水在此微觀規模會改變性質、結構明顯變離散的預期。

  

建造沙堡需要的材料就是沙子和水。此時水彷彿黏膠,透過毛細管作用(又稱毛細現象)將沙粒結合在一起,過去研究表明,打造較穩固沙堡的理想比例是 8 桶沙子+1 桶水。

10 多年前,物理學家就探討過為什麼沙子變濕時會有黏性。透過 X 射線顯微技術拍攝大小與砂礫相似的玻璃珠 3D 圖像,觀察到當水加進乾燥的珠子時,珠子之間會形成「毛細管橋」使水和空氣的表面積最小化,水加越多、橋也越大,可用開爾文方程(Kelvin equation)解釋這種現象,就算毛細管只有 10 奈米寬也能精確描述。

然而水與沙凝結的正常濕度介於 30%~50%,這種情況下毛細管會更細,僅 1 奈米,快媲美水分子的直徑(約 0.3 奈米),而宏觀開爾文方程不能描述涉及分子尺度的性質,也因此實驗受到許多阻礙。

不過曼徹斯特大學團隊的最新實驗跨過這道障礙,成功證明開爾文方程即使在 1 奈米細的毛細管也能描述凝結現象,也就是說,科學家原本預期水在此規模會改變性質、結構會變離散的假設就推翻了。

方程的效果依然很好,只不過解決百年之謎的結果有些令人失望,科學家本來更想看到顛覆傳統物理學的新發現。新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

https://technews.tw/2020/12/11/kelvin-equation-capillary-action-sandcastle/




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