• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
29 сентября
Игорь Байдов
5
54 023

Парадокс чайного листа Эйнштейна привел к самопроизвольному формированию ценного материала

4.1

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.

Парадокс чайного листа в чашке
© Flickr

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).

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 22:15
Василий Парфенов

Канадские палеонтологи завершили изучение уникальных останков детеныша тираннозавра, обнаруженных в провинции Альберта четырнадцать лет назад. Это первая в истории окаменелость молодняка этого семейства, в которой сохранилось содержимое желудка. Благодаря такому везению, ученые смогли наконец подтвердить давно существовавшую гипотезу, согласно которой взрослые особи и детеныши тираннозаврид занимали разные экологические ниши.

Позавчера, 13:25
Василий Парфенов

Китай и Египет подписали сразу несколько документов, закрепляющих сотрудничество обоих государств в деле освоения космического пространства. Одним из наиболее важных можно назвать соглашение об участии в проекте международной лунной станции. Поднебесная старается привлечь как можно больше партнеров к этой инициативе, формируя своеобразный противовес американским «Соглашениям Артемиды».

8 декабря
Юлия Трепалина

Отсутствие спирта в безалкогольном или слабоалкогольном пиве может делать такие сорта более уязвимыми для бактерий и других факторов порчи в процессе производства, хранения и розлива. Это экспериментально подтвердили американские ученые.

Позавчера, 22:15
Василий Парфенов

Канадские палеонтологи завершили изучение уникальных останков детеныша тираннозавра, обнаруженных в провинции Альберта четырнадцать лет назад. Это первая в истории окаменелость молодняка этого семейства, в которой сохранилось содержимое желудка. Благодаря такому везению, ученые смогли наконец подтвердить давно существовавшую гипотезу, согласно которой взрослые особи и детеныши тираннозаврид занимали разные экологические ниши.

Позавчера, 13:25
Василий Парфенов

Китай и Египет подписали сразу несколько документов, закрепляющих сотрудничество обоих государств в деле освоения космического пространства. Одним из наиболее важных можно назвать соглашение об участии в проекте международной лунной станции. Поднебесная старается привлечь как можно больше партнеров к этой инициативе, формируя своеобразный противовес американским «Соглашениям Артемиды».

8 декабря
Александр Березин

В России в рамках комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий активно строят МБИР — Многоцелевой научно-исследовательский реактор четвертого поколения на быстрых нейтронах. Это первый в своем роде научно-исследовательский реактор в мировой практике. Почему и за счет чего именно он стал таким?

15 ноября
Александр Березин

Парниковый эффект от американского природного газа, поставляемого в Старый Свет, неожиданно оказался выше, чем от сжигания местного угля. И намного выше, чем от российского газа.

1 декабря
Александр Березин

Судно Yara Eyde станет первым, плавающим только на этом виде топлива, что потребует существенных модификаций судового двигателя. Его токсичность настолько высока, что предельно допустимая концентрация подобного горючего в 15 раз ниже, чем у солярки, применяемой в контейнеровозах сегодня. Производитель решился на столь непростой шаг ради экологии.

22 ноября
Игорь Байдов

Стало известно, почему при взрыве гремучего золота — взрывчатого вещества — появляется эффектный пурпурный дым. Эта тайна волновала умы ученых с XVI века.

[miniorange_social_login]

Комментарии

5 Комментариев

Sasha Agafonov
30.09.2023
-
0
+
Ничего он не разрешил. Я о проблеме. То, что воронка при перемешивании создает распределение давления, оказалось роли вовсе не играет. Российский умелец накрыл крышкой стакан с чаинками и раскрутил чай в стакане. В итоге, воронки нет, а чаинки в центре опять.
    -
    0
    +
    Причем тут воронка? Ее отсутствие только усиливает ламинарное течение, поскольку не дает энергии уходить на карабканье жидкости вверх по стенам ёмкости.
-
0
+
Альберт Эйнштейн, немецкий физик, смешно
Дима Mmm
30.09.2023
-
-2
+
Китайцы молодцы. Не то что некоторые власти в некоторых странах))
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: