Парадокс чайного листа Эйнштейна привел к самопроизвольному формированию ценного материала
К неожиданным прорывам в науке могут привести даже пустяковые вещи вроде чаинок в чашке. Парадокс чайного листа только на первый взгляд кажется неважным, но в свое время им заинтересовался Альберт Эйнштейн. Решение парадокса ученый представил на одной из конференций, чем вызвал ажиотаж у академической публики. Докладу немецкого физика уже почти 100 лет, а самому парадоксу — гораздо больше, но исследователи во всем мире продолжают использовать его в своих работах. Например, недавно китайские ученые применили его для изучения концентрации веществ в наножидкостях.
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).
Telegram 
Дзен 
VK Ученые из МФТИ и ИППИ РАН выяснили, что у квантовых полей вблизи черных дыр (или ускоренно расширяющейся Вселенной) есть «порог нагрева». До этого порога чем выше температура, тем быстрее поле «забывает» свое прошлое. А выше порога нагрев уже не помогает: скорость забывания становится постоянной и определяется не температурой, а самой формой пространства (например, размером горизонта).
Исследователи из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН определили, при каких условиях квазиклассические модели водородной плазмы начинают давать нефизичные результаты. Ученые показали, что при достаточно сильном взаимодействии частиц такие модели перестают правильно учитывать квантовые эффекты, связанные с принципом Паули. В результате в расчетах возникают нефизичные электрон-ионные кластеры, а моделируемая система теряет устойчивость.
Почему один человек легко заводит друзей, а другой предпочитает держаться в стороне? Откуда берется привычка все планировать? Почему некоторые люди сомневаются в себе? Международный коллектив ученых проанализировал данные о геномах миллиона человек и выявил 1260 независимых генетических вариантов, связанных с основными пятью чертами личности человека. Результаты исследования показали, что на индивидуальные особенности личности влияет не только воспитание, опыт и окружающая среда, но также гены.
Группа российских исследователей, в которую вошли океанологи Санкт-Петербургского университета, выявила существование ранее неизвестных механизмов распространения «волн Россби». В ходе работы им удалось зафиксировать точки, где перенос энергии прекращается, а траектории движения воды претерпевают изменения. Дополнительно ученые обнаружили асимметрию в динамике волновых процессов, зарождающихся у западных и восточных прибрежных течений.
Мумии сохраняют следы не только болезней и травм, но и самих процедур, которым подвергали тела после смерти. Компьютерная томография головы мумии, много десятилетий пролежавшей в музее, раскрыла не совсем привычный способ извлечения мозга и другие детали бальзамирования.
Инженеры компании HONOR выпустили смартфон с кремний-углеродной батареей на 7000 миллиампер-часов, сохранив толщину устройства в пределах 7,8 миллиметра. Разработка доказала, что переход на кремниевые аноды окончательно решил проблему громоздких аккумуляторов высокой емкости.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Сопротивление жителей Европы самой идее употребления насекомых в пищу может иметь эволюционные корни, уходящие вглубь тысячелетий, пришли к выводу авторы нового исследования. Оказалось, предки современных европейцев ели насекомых лишь эпизодически. Кроме того, из-за генетических мутаций они плохо переваривали их экзоскелеты.
После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии