Неожиданное открытие: «парадокс чайного листа» Эйнштейна помог создать полезный материал.

Новости МирТесен

Даже незначительные детали, такие как осадок от чая на дне чашки, способны привести к неожиданным научным открытиям. Парадокс чайного листа может показаться неважным, однако он привлек внимание Альберта Эйнштейна. Ученый представил решение этого парадокса на одной из конференций, что вызвало большой интерес среди научного сообщества. Докладу немецкого физика уже почти столетие, а сам парадокс имеет гораздо более давнюю историю, но исследователи по всему миру продолжают использовать его в своих работах. Недавно китайские ученые, например, применили его для изучения концентрации веществ в наножидкостях.

В 1926 году Альберт Эйнштейн выступил перед Прусской академией наук с докладом, посвященным закону Бэра. В рамках этого исследования физик описал и феномен, впоследствии получивший название «парадокс чайного листа». Он не просто представил это явление, но и объяснил принципы его возникновения. Решение данного парадокса Эйнштейн сформулировал в виде примера для объяснения закона Бэра.

В чем суть этого противоречия? Когда заваривается листовой или гранулированный чай в кружке и перемешивается ложкой, чаинки начинают двигаться к центру, что противоречит законам физики. В соответствии с физическими принципами, под действием центробежной силы чаинки должны прилипать к стенкам чашки, поскольку при вращении в жидкости частицы обычно стремятся к стенкам сосуда.

Как считал Эйнштейн, что же происходит в чашке? С момента начала перемешивания формируется своего рода равновесие сил.

Под действием центробежной силы частицы жидкости стремятся к периферии, однако градиент давления, возникающий из-за трения между водой и стенками чашки, направляет их к оси вращения.

Сочетание распределения давления и силы трения воды о дно и стенки приводит к возникновению центростремительной силы, которая сдвигает чаинки к центру и вызывает появление вторичного течения. Именно это течение обеспечивает перемещение чаинков 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.

В настоящее время этот парадокс находит применение в различных областях науки: с его помощью ученые объясняют ряд процессов в медицине, геологии, физике и материаловедении.

Китайские ученые из Университета Тунцзи во главе с Чжан Цзехуэем использовали парадокс чайного листа для исследования поведения золотых наночастиц в нанорастворах. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.

Сперва с помощью платформы для моделирования конструкций и рабочих процессов COMSOL MultiphysicalsИсследователи провели анализ взаимосвязи между распределением наночастиц и скоростью потока. Такая работа была необходима для моделирования поведения наночастиц в процессе перемешивания, ламинарном потоке (его еще называют ламинарным течением).

Специалисты затем наблюдали за траекторией перемещения наночастиц в потоке в течение 500 секунд после смешивания. Было установлено, что наночастицы, расположенные в центре, демонстрировали более высокую скорость движения по протяженной траектории и чаще сталкивались, что приводило к увеличению их концентрации в этой области и частому образованию агрегатов».

На основании полученных результатов Чжан Цзехуэй и его коллеги выдвинули гипотезу о том, что траектория движения наночастиц будет соответствовать парадоксу чайного листа, даже в наножидкостях. Для демонстрации данного эффекта на наноуровне ученые подвергли частицы диспергированию) Наночастицы диоксида кремния (SiO2) диаметром 50 нанометров были растворены в деионизированной воде, после чего перенесены в специально подготовленный нанораствор.

Как и предсказывала группа Цзехуэя, измельченные наночастицы, находящиеся в наножидкостях, демонстрировали поведение, аналогичное чаинкам в чашке, что соответствовало парадоксу чайного листа.

Когда исследователи начали использовать наночастицы золота в качестве наноматериала, перемешивание, имитирующее принцип работы чайного листа, вызвало неожиданный эффект — сверхбыструю агрегации(процесс интеграции компонентов в единую структуру), что привело к формированию аэрогелей из частиц золота. Размеры полученных фрагментов аэрогеля были скорректированы специалистами до диапазона от 10 до 200 нанометров, и в результате был создан материал с исключительно высокой степенью чистоты и выраженной кристалличностью.

«Проведенные исследования продемонстрировали применимость парадокса чайного листа к наножидкостям. Обнаружение этого явления в наножидкостях обуславливает неожиданный эффект ускоренной агрегации, позволяющий быстро создавать аэрогели из частиц золота посредством простого перемешивания», — объяснил Цзехуэй.

Исследователи полагают, что полученные результаты могут быть использованы в фотокатализе (технология, применяемая в химической промышленности для производства разнообразных полезных веществ) и поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (метод улучшения комбинационного рассеяния молекул, позволяющий получать структурные «отпечатки пальцев» анализируемых веществ с низкой концентрацией).