Парадокс чайного листа Эйнштейна привел к самопроизвольному формированию ценного материала

В 1926 году Альберт Эйнштейн представил доклад для Прусской академии наук, который посвятил закону Бэра. На нескольких страницах физик рассказал и о явлении, которое позже назовут «парадоксом чайного листа». Ученый не только описал этот эффект, но и раскрыл механизм его работы. Решение парадокса Эйнштейн привел в качестве примера для объяснения закона Бэра. 

В чем же заключается парадокс? Если заварить в кружке листовой или гранулированный чай, а затем размешать ложкой, чаинки начнут вращаться у центра, чего с точки зрения физики быть не должно. Согласно физическим законам, под воздействием центробежных сил чаинки должны прижиматься к стенкам чашки, ведь при вращении в жидкости частицы всегда стремятся к стенкам сосуда. 

Что, по мнению Эйнштейна, происходит в чашке? Когда начинается перемешивание, создается что-то вроде баланса сил. 

С одной стороны, центробежная сила «выталкивает» частицы жидкости наружу, с другой — за счет силы трения между водой и стенками у края чашки появляется градиент давления, который возрастает от центра к краям и давит к оси вращения.  

Такое распределение давлений вместе с силой трения воды у дна и стенок создает центростремительную силу: она сдвигает чаинки к центру и приводит к появлению вторичного течения. Именно это течение перемещает чаинки к центру кружки.

Конечно, о парадоксе чайного листа знали еще до Эйнштейна. Например, описание этого явления, а также попытки его объяснения встречаются в работах британского физика Джеймса Томсона (1857), французского механика Жозефа Валантена Буссинеска (1868), русского инженера-механика Александра Миловича (1913). Однако именно Эйнштейн стал первым, кто его разрешил. 

Сегодня этот парадокс применяют в самых разных областях науки: с его помощью ученые объясняют ряд процессов в медицине, геологии, физике, в том числе в материаловедении.

Группа китайских ученых из Университета Тунцзи под руководством Чжан Цзехуэя применила парадокс чайного листа, чтобы изучить поведение золотых наночастиц в нанорастворах. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.

Сперва с помощью платформы для моделирования конструкций и рабочих процессов COMSOL Multiphysicals ученые изучили связь между распределением наночастиц и скоростью потока. Это нужно было сделать, чтобы воссоздать движение наночастиц при перемешивании в ламинарном потоке (его еще называют ламинарным течением).

Затем специалисты отслеживали траекторию движения наночастиц в потоке после перемешивания на протяжении 500 секунд. Оказалось, что наночастицы, находящиеся в центре, двигались быстрее по более длинной траектории и чаще сталкивались друг с другом, в центре их концентрация увеличивалась, часто они «склеивались».

Основываясь на полученных данных, Чжан Цзехуэй и его команда предположили, что движение наночастиц будет подчиняться парадоксу чайного листа и в наножидкостях. Чтобы продемонстрировать парадокс на наноуровне, ученые «измельчили» (подвергли диспергированию) наночастицы диоксида кремния (SiO2) размером 50 нанометров в деионизированной воде, а после поместили их в специальный нанораствор. 

Группа Цзехуэя оказалась права: измельченные наночастицы в наножидкостях вели себя так же, как чаинки в чашке, то есть подчинились парадоксу чайного листа.

Когда же исследователи в качестве наноматериала взяли наночастицы золота, при перемешивании парадокс чайного листа привел к неожиданному эффекту — сверхбыстрой агрегации (процесс объединения элементов в одну систему), в результате чего из частиц золота сформировались аэрогели. Специалисты «отрегулировали» размеры кусков этих аэрогелей примерно от 10 до 200 нанометров, и у них получился материал чрезвычайно высокой чистоты и высокой степени кристалличности.

«Наша работа показала, что парадокс чайного листа применим и к наножидкостям. Когда это явление наблюдается в наножидкостях, возникает неожиданный эффект сверхбыстрой агрегации, который позволяет быстро формировать аэрогели из частиц золота при простом перемешивании», — объяснил Цзехуэй.

По мнению исследователей, результаты их работы могут найти применение в фотокатализе (используется в химической промышленности для получения самых разных полезных материалов) и поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (метод улучшения комбинационного рассеяния молекул, который позволяет получить структурные «отпечатки пальцев» анализируемых веществ с низкой концентрацией).