Dinámica de deformación de los nanoporos durante la imbibición de agua

El transporte impulsado por capilaridad en sólidos nanoporosos es generalizado en la naturaleza y crucial para los materiales de ingeniería modernos impregnados de líquido. Durante la imbibición, los meniscos curvados impulsados por altas presiones de Laplace negativas ejercen una enorme carga contractil sobre la matriz porosa. Debido al desafío de monitorear simultáneamente la imbibición y la deformación con alta resolución espacial, el acoplamiento resultante de la elasticidad sólida a la capilaridad líquida ha permanecido en gran medida inexplorado. Aquí, estudiamos la imbibición de agua en sílice mesoporosa utilizando imágenes ópticas, gravimetría y dilatometría de alta resolución. En contraste con la contracción esperada inducida por la presión de Laplace, encontramos una expansión de raíz cuadrada del tiempo y un aumento abrupto adicional de longitud cuando los meniscos alcanzan la superficie superior. La expansión final está ausente cuando detenemos el frente de imbibición dentro del medio poroso en un equilibrio dinámico de imbibición-evaporación, como es típico para el transporte hidráulico impulsado por transpiración en plantas, especialmente en árboles. Estos comportamientos peculiares de deformación son validados por simulaciones de dinámica molecular de un solo nanoporo y se describen mediante un modelo continuo que resalta la importancia de las tensiones superficiales expansivas en las paredes de los poros (efecto Bangham) y la acumulación o liberación de presiones de Laplace contractiles a medida que los meniscos avanzan, se detienen o desaparecen colectivamente. Nuestro modelo sugiere que estas observaciones se aplican a cualquier proceso de imbibición en nanoporos, independientemente de la combinación líquido/sólido, y que la contribución de Laplace durante la imbibición es precisamente la mitad de la sorción de vapor, debido a la caída de presión lineal asociada con el flujo viscoso. Así, se pueden usar mediciones simples de deformación para cuantificar tensiones superficiales y presiones de Laplace o transporte en una amplia variedad de medios porosos naturales y artificiales.