9. Kapilárne sily

Dokument o tom, ako sa vodný roztok chloridu amónneho „vydriapal“ pomocou kapilárnych síl cez okraj nádoby.    

Trochu farebného indikátora v roztoku chloridu amónneho nezaškodí. Pri tomto obrázku  sa možno zmieniť aj o chromatografických metódach.   

O absencii kapilárnych síl. Na tomto obrázku je jazero pri Rusovciach neďaleko Bratislavy. V pozadí vidno breh s vegetáciou. Prekvapujúce je, že túto vegetáciu v bezprostrednej blízkosti podzemnej a povrchovej vody tvoria najmä suchomilné rastliny. Hlavný dôvod je ten, že tenkú hornú vrstvu pôdy oddeľuje od vody štrkové podložie, ktoré bez zábran prepúšťa dažďovú vodu, ale zároveň vodu nedokáže kapilárnymi silami vytiahnuť smerom ku koreňom rastlín.

Pohľad na lesostepnú vegetáciu pri Rusovciach.     

Kapilárnym silám môžeme vďačiť za všeličo, avšak často nám môžu aj dosť prekážať. Typickým príkladom je vlhnutie múrov budov. Prednostne sa to týka tých starších, vrátane historických. Napríklad kostolov a kaštieľov. Na obrázku spodná časť vlhkého múru fiľakovského hradu.

Kapilárne nasávaná voda vnáša do pórovitých stavebných materiálov aj rozpustené minerály, ktoré po vyzrážaní „vyzdobujú“ múry o podivné ornamenty týchto minerálov. Tie sú vlastne výsledkom ich „chromatografickej“ separácie na pórovitej matrici. Tieto minerály sú však zväčša taktiež pórovité a navyše aj hygroskopiské, takže zvyšujú pôvodnú rýchlosť vlhnutia múrov. 

Vlhnutie múrov má dva závažné dôsledky. Prvým je ich erózia v dôsledku zamŕzania vody, pri ktorej dochádza k zväčšeniu jej objemu. Druhým je tvorba plesní a rôznych biopovlakov. Na plesne (odborne mikroskopické vláknité huby) je špecialistom profesorka Alexandra Šimonovičová z Katedry pedológie. Podieľala sa na druhovej analýze týchto mikroorganizmov v niekoľkých historických objektoch na Slovensku. Boj s plesňami v exteriéroch a interiéroch budov (prípadne aj iných objektov) je však doménou organických chemikov. Ich zneškodnenie na listoch viniča má však na starosti anorganická látka pentahydrát síranu meďnatého (modrá skalica). Tento obrázok však dokumentuje eróziu stavebných materiálov machmi a lišajníkmi. 

Spojivová látka v betóne je cement. Ten v exteriéroch kapilárne nasáva vodu, čo spôsobuje jeho prednostnú eróziu baktériami, machmi a lišajníkmi. Tie znásobujú aj eróziu betónu pomalým rozpúšťaním vápenca. Tento obrázok ukazuje prednostnú eróziu cementu v betóne. Jej výsledkom je postupné uvoľňovanie štrku.    

Pokročilý stav erózie betónu a jej kovovej výstuže na vysunutom prístupovom chodníku k našej fakulte. V čase vzniku tejto galérie bol však už opravený. Česť jeho pamiatke.

Ako dať po prstoch kapilárnym silám? Dajme si poradiť a doprajme si pri tom aj trochu zábavy. Spoločnosť Aquapol nám ponúka výborné riešenie v podobe takzvaného magnetofyzikálneho vysušovania. Citujme z propagačného materiálu ako to funguje: „Prístroj (to je tá lampa na obrázku) vysiela slabé, ale účinné silové pole gravomagnetickej prírody. Pravotočivé polarizované vlny otáčajú molekuly vody v kapilárnom systéme muriva tak, že putujú nadol“ Dodajme, že prístroj nepotrebuje žiadne umelé zdroje energie, pretože „používa na vykonávanie svojej práce len prirodzené sily“. Takže zjednodušme to. Gravomagnetická príroda z lampy umravní molekuly vody, ktoré pochopia, kde je hore a kde dole a vydajú sa tým správnym smerom. S týmto riešením je spokojný aj pán Karol z Prešova (a mnoho ďalších). Nie je to maličkosť, pretože primárne  za týmto objavom stojí Nikola Tesla, podľa Aquapolu vývojár striedavého prúdu. K dôverihodnosti slúži aj to, že „v areáli Aquapolu sa nachádza Vatikán, budova parlamentu Budapešti, múzeum Josepha Haydna v Rakúsku, zámok Schlatt v Nemecku a centrum Celebrity v Nashville v TN“. Mnoho ďalších zaujímavostí sa možno dozvedieť na internetovej stránke spoločnosti (https://vysusovaniemuriva.sk/pristroj-aquapol/).

V súvislosti s kapilárnymi silami sa vráťme do laboratória. Tie môžu v ňom narobiť poriadnu neplechu. Napríklad zničiť v priebehu pár sekúnd pekný kus SiO2-aerogélu. 

Na tomto obrázku vidíme pohyb vodného roztoku intenzívne sfarbeného indikátora metylénovej modrej na tenkej vrstve chromatografického silikagélu. Hybnou silou tohto pohybu sú práve kapilárne sily. Rozstrapkaný okraj farebnej vrstvy indikuje malé nehomogenity pórovitej štruktúry silikagélu, ktorá je tvorená voľnými priestormi medzi jeho sférickými časticami. Dôkazom toho, že transport vody prebieha iba v kapilárach je, že vysoko rozpustný indikátor v pravej časti zvlhnutej zóny sa nerozpúšťa.  

Kapilárne nasávanie vody práškovým zeolitovým tufom s veľkosťou častíc menšou ako 10 µm. Zvláštny tvar rozhrania medzi vlhkou a mokrou časťou prášku je spôsobený tým, že voda bola pipetou zavedená do stredu spodnej časti nádoby. Vidno, že hraničná krivka sa postupom času zarovnáva. V prírode kapilárne nasávanie spôsobujú rôzne malé častice anorganických látok (hornín a minerálov), avšak najvýznamnejšiu úlohu tu zohrávajú ílové minerály. Smery transportu vody v tomto experimente majú v prírode svoju analógiu pri lokálnom kontakte spodnej vody s jemnonozrnnými sedimentárnymi horninami. 

Kapilárne sily a šport. Tenis sa dnes hráva na rôznych povrchoch, avšak je takmer vylúčené, že niekedy moderné umelé povrchy antuku úplne vytlačia. Dôvodov je viacero. Takmer všetky priamo alebo nepriamo súvisia s chémiou a fyzikou. Pretože aktuálna téma sú kapilárne sily, sústreďme sa na ne. Úvodom je potrebné poznamenať, že antuka je prednostne exteriérovým povrchom nepoužiteľným v zimnom období. Je to zväčša pekný červený tehlový prášok, za čo vďačí vysokému obsahu železa v tehlovej surovine. Slovo „antuka“ je odvodené z francúzskeho „en tout cas“ značiaceho niečo ako „za všetkých okolností“ alebo „do každého počasia“. To však, nie je tak celkom pravda. Anglický názov antuky clay je asi pre prírodovedcov lepší, pretože poukazuje ílovú podstatu tehlovej hmoty. (My silikátnici sa z toho môžeme zvlášť tešiť, pretože inak by o nás skoro nik nevedel.) Rafael Nadal by preto mal byť vlastne silikátovým kráľom.

Nasávanie vody kremenným pieskom je neporovnateľne menšie ako u antuky. Za to je zodpovedná jednak väčšia veľkosť častíc piesku, ale aj absencia pórovitej štruktúry. Významné rozdiely vo veľkosti kapilárnych síl pôsobiacich na obe látky sa odráža v neporovnateľne väčšej odolnosti povrchu vlhkej antuky voči mechanickej erózii teniskami hráčov.       

Piesku v tejto skulptúre v košickom parku musel staviťeľ pomôcť nejakou spojivovou látkou. Kapilárne sily by to nezvládli. 

Takto sa „chová“ antuka bez vody a tým aj bez kapilárnych síl. Preto je údržba antukových kurtov dôležitá. Zaujímavé je, že jej ciele a metódy možno vyjadriť aj pomocou fyzikálnej a čiastočne aj chemickej terminológie. V podstate ide o to, aby pri najmenšej spotrebe vody sa dosiahla optimálna saturácia antuky vodou. To znamená optimalizovať jednak jej vlhkosť a zároveň aj rýchlosť prietoku vody cez túto vrstvu. Analógiu toho možno vidieť v rôznych javoch a procesoch v prírode, poľnohospodárstve a aj v rôznych technických odboroch.     

Na kurte s dobrou drenážnou vrstvou sa dá hrať tenis už po krátkom čase aj po jeho zaplavení. Často to však tak nie je. To je jedna z vecí, na ktorej sa dobre prejavuje odbornosť správcov kurtov.

Zmrznutím povrchovej vrstvy kurtu sa však hráčska sezóna definitívne končí. Na zmrznutom kurte by sa dalo ešte hrať, ale po jeho rozmrznutí už nie. Na obrázku je zamrznutý petržalský tenisový kurt 21.10. 2020.

Problém ilustruje tento obrázok. Bol urobený o deň neskôr. Premena tvrdej antuky na blato je spôsobená odtlačením jej jednotlivých častíc kryštálikmi ľadu. Tým sa znemožnila ich vzájomná väzba kapilárnymi silami. Hráči si preto budú musieť počkať až do jari, keď valcovaním sa častice novej antuky budú musieť znova dostať do dosahu kapilárnych síl.

Tenisový kurt v Petriho miskách. Voľne nasypaná antuka v Petriho miske.

Stlačenie vlhkej antuky do kompaktnej vrstvy (hore) a jej zaliatie vrstvou vody (dole).

Fáza rozmrazovania vlhkej antuky v Petriho miske.

Bez komentára

Laboratórna analógia antukovej premeny z predchádzajúceho obrázka. Deštrukčná premena kremičitého gélu s obsahom metanolu po jeho zmrznutí a vysušení.

Kapilárne sily môžu spôsobovať deštrukciu niektorých látok aj pri sušení. Je to dôsledok nerovnomerného odparovania kvapaliny z ich pórov. Na hornom obrázku je kremičitý gél s vysokým obsahom metanolu. Ako to s ním dopadne pri „obyčajnom“ sušení pri laboratórnej teplote ukazuje obrázok pod ním. Jeho deštrukcii sa však dá zabrániť takzvaným superkritickým sušením (spodný obrázok). Bližšie o tejto metóde sa dá dozvedieť napríklad v jednom z mojich vedecko-populárnych článkov v Quarku.