堆出沙堡的背後物理學，確認可用開爾文方程描述
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。
（首圖來源：pixabay）
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