‘Het bloed kruipt waar het niet gaan kan’, luidt de uitdrukking. Maar water kan er ook wat van. Waterdamp kruipt in kiertjes, gaatjes en poriën van poreus materiaal. Daar condenseert het tot vloeibaar water. Er is al 150 jaar een natuurkundige formule die deze capillaire condensatie op grote schaal beschrijft. Nu blijkt deze formule ook geschikt voor microscopisch kleine poriën waar slechts een enkel laagje watermoleculen in past.
Hoe hoger de luchtvochtigheid, hoe meer capillaire condensatie er ontstaat. Als er extreem veel vocht in de lucht zit, zie je de condensatiedruppels zelfs over ramen lopen. Bij een alledaagse luchtvochtigheid van 30 tot 50 procent treedt de condensatie alleen op bij piepkleine poriën van ongeveer een nanometer (een miljoenste millimeter) groot.
Een onderzoeksgroep onder leiding van Nobel- en Ig Nobellaureaat Andre Geim bouwde zulke piepkleine poriën, van een nanometer of minder groot, na in het lab. Daarmee onderzochten de wetenschappers capillaire condensatie op de allerkleinste schaal.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Corrosie en zandkastelen
Capillaire condensatie kan bijvoorbeeld optreden in bouwmaterialen. Als daardoor vocht in muren of stalen constructies trekt, kan er schade ontstaan. Ook heeft het verschijnsel invloed op materiaaleigenschappen, zoals wrijving. ‘Het is dus iets om rekening mee te houden, bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van micro-elektronica, of in de farmaceutische, voedingsmiddelen-, en olie- en gasindustrie’, mailt Qian Yang van de Universiteit van Manchester.
Een andere plek waar je capillaire condensatie tegenkomt, is op het strand. ‘Het houdt zandkastelen bij elkaar’, vertelt Yang. ‘Het water condenseert in kleine openingen tussen de zandkorrels. Daar werkt het water als een soort lijm die het zand bij elkaar houdt. Als het water opdroogt, dan vallen zandkastelen uit elkaar.’ Zonder capillaire condensatie dus geen zandkastelen.
Laagje watermoleculen
Om dit belangrijke verschijnsel te onderzoeken, knutselden de onderzoekers poriën. Dit deden ze door twee laagjes grafiet of het mineraal mica op elkaar te stapelen. Gedeeltelijk schoven ze daar strookjes grafeen tussen, een tweedimensionaal materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Deze strookjes creëerden smalle ruimtes tussen de twee grafiet of mica laagjes en bepaalde zo de grootte van de poriën: hoe meer laagjes grafeen, des te groter de porie. In de kleinste poriën paste maar één laag watermoleculen.
Met een gevoelige microscoop maten de onderzoekers vervolgens bij verschillende luchtvochtigheden of en hoe de poriën zich vulden met water. Zelf de kleinste poriën bleken zich hierbij te gedragen volgens de zogeheten kelvinvergelijking. Deze 150 jaar oude natuurkundige formule voorspelt hoe en bij welke luchtvochtigheid capillaire condensatie optreedt.
Dat deze formule ook op de kleinste schaal werkt, is verrassend. Een enkel laagje watermoleculen gedraagt zich namelijk anders dan een paar milliliter of een paar liter water. ‘We hadden verwacht dat de kelvinvergelijking niet meer zou werken bij poriën van minder dan twee nanometer’, vertelt Yang. ‘Dan verandert de structuur van water namelijk. De moleculen condenseren dan in een gelaagde structuur.’
Mooi toeval
Volgens de onderzoekers berust de bevinding dat de kelvinvergelijking kwalitatief standhoudt grotendeels op toeval. Het is een neveneffect van de grote druk die het gecondenseerde water uitoefent op de wanden van de poriën. Die druk zorgt ervoor dat de poriën hun vorm wat aanpassen. Toevalligerwijs zorgen die aanpassingen ervoor dat het water zich precies gedraagt zoals de kelvinvergelijking voorspelt.
Voor de industrie is dit een geruststellend resultaat. Daar werd de kelvinvergelijking namelijk al gebruikt om de capillaire condensatie op kleine schaal te voorspellen. Dat leek prima te werken, maar tot nu toe was er geen wetenschappelijk bewijs dat de vergelijking inderdaad stand hield. Nu is dat er wel. Ook wetenschappelijk aangelegde zandkasteenbouwers kunnen opgelucht ademhalen.
