Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Bagaimana Kondensasi Kapiler terjadi? Kebenaran Teori Kelvin

Para peneliti dari The University of Manchester yang dipimpin oleh Pemenang Nobel Andre Geim bersama Kostya Novoselov, dianugerahi Hadiah Nobel untuk Fisika 10 tahun lalu yang telah membuat kapiler buatan yang cukup kecil untuk uap air mengembun di dalamnya dalam kondisi normal, kondisi ambien.


Studi Manchester tersebut berjudul 'Kondensasi kapiler di bawah batasan skala atom' dan dipublikasikan di Nature. Penelitian ini memberikan solusi untuk teka-teki berusia satu setengah abad tentang bagaimana kondensasi kapiler terjadi, fenomena mikroskopis fundamental yang melibatkan beberapa lapisan molekul air, yang kemudian dijelaskan dengan cukup baik menggunakan persamaan makroskopik dan karakteristik makroskopik air curah.

Apakah ini kebetulan atau hukum alam yang tersembunyi?
Kondensasi kapiler, fenomena yang terjadi di mana-mana di dunia sekitar kita, dan sifat penting seperti gesekan, adhesi, stiksi, pelumasan, dan korosi sangat dipengaruhi oleh kondensasi kapiler. Fenomena ini penting dalam banyak proses teknologi yang digunakan oleh mikroelektronika, farmasi, makanan, dan industri lainnya - dan bahkan istana pasir tidak dapat dibangun oleh anak-anak jika bukan karena kondensasi kapiler.

Secara ilmiah, fenomena ini sering dijelaskan oleh persamaan Kelvin yang berusia 150 tahun yang telah terbukti sangat akurat bahkan untuk pembuluh kapiler sekecil 10 nanometer, seperseribu lebar rambut manusia. Namun, agar kondensasi terjadi di bawah kelembapan normal katakanlah 30% sampai 50%, kapiler harus jauh lebih kecil, dengan ukuran sekitar 1 nm. Ini sebanding dengan diameter molekul air (sekitar 0,3 nm), sehingga hanya beberapa lapisan molekul air yang dapat masuk ke dalam pori-pori yang bertanggung jawab atas efek kondensasi yang umum.

Persamaan Kelvin makroskopis tidak dapat dibenarkan untuk menjelaskan sifat-sifat yang melibatkan skala molekuler dan, pada kenyataannya, persamaan tersebut memiliki sedikit pengertian pada skala ini. Misalnya, tidak mungkin untuk menentukan kelengkungan meniskus air, yang masuk ke persamaan, jika lebar meniskus hanya beberapa molekul. Oleh karena itu, persamaan Kelvin dianggap sebagai pendekatan orang miskin, karena kurangnya deskripsi yang tepat. Kemajuan ilmiah telah terhalang oleh banyak masalah eksperimental dan, khususnya, oleh kekasaran permukaan yang membuatnya sulit untuk membuat dan mempelajari kapiler dengan ukuran pada skala molekul yang dibutuhkan.


Untuk membuat kapiler semacam itu, para peneliti Manchester mengumpulkan kristal mika dan grafit yang berbentuk atom datar. Mereka menempatkan dua kristal seperti itu di atas satu sama lain dengan strip sempit graphene, kristal tipis dan datar atom lainnya, ditempatkan di antaranya. Strip berfungsi sebagai spacer dan bisa memiliki ketebalan yang berbeda. Perakitan trilayer ini memungkinkan kapiler dengan berbagai ketinggian. Beberapa di antaranya hanya setinggi satu atom, kapiler terkecil yang mungkin, dan hanya dapat menampung satu lapisan molekul air.

Eksperimen Manchester telah menunjukkan bahwa persamaan Kelvin dapat menggambarkan kondensasi kapiler bahkan pada kapiler terkecil, setidaknya secara kualitatif. Hal ini tidak hanya mengejutkan tetapi juga bertentangan dengan anggapan umum karena air mengubah sifat-sifatnya pada skala ini dan strukturnya menjadi sangat terpisah dan berlapis.

"Ini datang sebagai kejutan besar. Saya mengharapkan kerusakan total dari fisika konvensional," kata Dr Qian Yang, penulis utama laporan Nature. "Persamaan lama ternyata bekerja dengan baik. Agak mengecewakan tapi juga menarik untuk akhirnya memecahkan misteri berusia seabad.

"Jadi kita bisa rileks, semua efek kondensasi dan properti yang terkait sekarang memiliki bukti kuat daripada firasat.

Para peneliti Manchester berpendapat bahwa kesepakatan yang ditemukan, meskipun kualitatif, juga kebetulan. Tekanan yang terlibat dalam kondensasi kapiler di bawah kelembaban sekitar melebihi 1.000 bar, lebih dari itu di dasar laut terdalam. Tekanan seperti itu menyebabkan kapiler menyesuaikan ukurannya dengan sebagian kecil angstrom, yang cukup untuk menampung hanya sejumlah bilangan bulat lapisan molekul di dalamnya. Penyesuaian mikroskopis ini menekan efek kesesuaian, memungkinkan persamaan Kelvin bertahan dengan baik.

"Teori yang baik sering kali bekerja di luar batas penerapannya," kata Geim.

"Lord Kelvin adalah seorang ilmuwan yang luar biasa, membuat banyak penemuan tetapi bahkan dia pasti akan terkejut menemukan bahwa teorinya, tabung berukuran milimeter berlaku bahkan pada skala satu atom. Faktanya, dalam makalahnya Kelvin berkomentar tentang ketidakmungkinan ini.

"Jadi, pekerjaan kami telah membuktikan dia benar dan salah, pada saat yang sama."

Jurnal Referensi:
  • Qian Yang, P. Z. Sun, Y. V. Stebunov, S. J. Haigh, L. Fumagalli, Z. W. Zhou, I. V. Grigorieva, F. C. Wang, A. K. Geim. 2020. Capillary condensation under atomic-scale confinement. Nature, 2020; 588 (7837): 250 DOI: 10.1038/s41586-020-2978-1

Post a comment for "Bagaimana Kondensasi Kapiler terjadi? Kebenaran Teori Kelvin"

Berlangganan via Email