堆出沙堡的背后物理学,确认可用开尔文方程描述

堆出沙堡的背后物理学,确认可用开尔文方程描述

首页休闲益智沙堡建造更新时间:2024-06-03

去海边最过瘾的莫过于打造一座壮观沙堡,只要将水与沙混合一个正确比例就可以变得“坚固”,150年来,科学家知道背后介入的机制是毛细管作用,但却一直搞不懂为何可用宏观方程来描述这种微观现象。直到最近,曼彻斯特大学团队的实验终于解决这项难题,并且颠覆原本认为水在此微观规模上会改变性质、结构明显变离散的预期。

建造一座沙堡需要的材料就是沙子和水。此时水仿佛一种胶,通过毛细管作用(又称毛细现象)将沙粒结合在一起,过去研究表明,打造一座比较稳固沙堡的理想比例是8桶沙子 1桶水。

10多年前,物理学家就探讨了为什么沙子在变湿时会变黏。通过X射线显微技术拍摄大小与砂砾相似的玻璃珠3D图像,他们观察到当水添加入干燥的珠子中时,各珠子之间会形成“毛细管桥”使水和空气之间的表面积最小化,水添加越多、桥也越大,可用开尔文方程(Kelvin equation)来解释这种现象,就算毛细管只有10纳米宽也能精确描述。

然而水与沙凝结的正常湿度介于30~50%,这种情况下毛细管会更细,仅1纳米,快媲美水分子的直径(约0.3纳米),而宏观开尔文方程不能用来描述涉及分子尺度的性质,也因此实验受到许多阻碍。

不过曼彻斯特大学团队的最新实验跨过了这道障碍,成功证明开尔文方程即使在1纳米细的毛细管中也可以描述凝结现象,也就是说,科学家原本预期水在此规模会改变性质、结构会变离散的假设被推翻了。

该方程的效果依然很好,只不过解决百年之谜的结果有些令人失望,科学家本来更想看到颠覆传统物理学的新发现。新论文发布在《自然》(Nature)期刊。

(首图来源:pixabay)

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