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 давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Большой взрыв мог быть не началом Вселенной, а моментом рождения самой гравитации в привычном нам виде. Новая модель предлагает иную, квантовую форму гравитации, которая могла запустить инфляцию и избавить космологию от проблемы сингулярности, где законы физики перестают работать.
Шведские биологи отследили миграцию обыкновенного соловья с помощью миниатюрных датчиков-рюкзаков. Как оказалось, при пересечении Сахары и Аравийской пустыни птицы летят только по ночам и не ищут пищу. Соловьи преодолевают пустыню без дозаправки, полагаясь лишь на накопленный заранее жир.
Вода из другой звездной системы оказалась не похожа на земную: в составе третьего межзвездного объекта нашли рекордное содержание дейтерия — тяжелого изотопа водорода. Этот химический след указывает на необычные условия формирования системы, где возникла комета, и меняет представления о сценариях рождения далеких планетных систем.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
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