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 Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Изучать поведение еще официально не открытых квазичастиц — задача с высокой степенью абстракции. В ее решении ученым помогают экзотические частицы и состояния материи, например, пространственно-темпоральные кристаллы.
До недавнего времени считалось, что надежно извлекать древнюю человеческую ДНК можно в основном из костей и зубов. Потом ученые научились получать ее из пещерных отложений и из некоторых предметов, которыми пользовались древние люди. Авторы нового исследования решили проверить, можно ли найти генетические следы представителей Homo на стенах, то есть непосредственно там, где они рисовали тысячи лет назад. Оказалось, что можно.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина разработали технологию изменения структуры молекул нефти с помощью энергии кавитационных полей, которые создаются при воздействии ультразвука. Технология позволяет облагораживать нефть, меняя ее физико-химические характеристики и снижая долю нежелательных составляющих веществ. Для проведения полевых испытаний ее реализовали в мобильном исполнении с применением управляемых ультразвуковых полей. Разработанное исследовательское оборудование может применяться на любом месторождении, включая удаленные и труднодоступные.
Группа ученых из МФТИ, Российского квантового центра, ФИАН, МГТУ имени Баумана и НИЯУ МИФИ экспериментально определила длину волны, при которой поляризуемость атома тулия в основном состоянии равна нулю. Лазер с таким излучением практически не взаимодействует с атомами тулия в решетке. Результаты работы могут найти применение в квантовых симуляторах, оптических ловушках и прецизионных измерениях.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
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