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. На нескольких страницах физик рассказал и о явлении, которое впоследствии получит название «парадокс чайного листа». Ученый не только описал этот эффект, но и объяснил принцип его действия. Решение парадокса Эйнштейн представил как 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 самых разных научных дисциплинах, помогая исследователям объяснить ряд процессов в медицине, геологии, физике и, в частности, в 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 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).
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».
Основываясь на полученных данных, Чжан Цзехуэй и его коллеги выдвинули гипотезу о том, что движение наночастиц будет соответствовать парадоксу чайного листа и в наножидкостях. Для демонстрации парадокса на наноуровне, ученые подвергли диспергированию) для начала были диспергированы наночастицы диоксида кремния (SiO2) с размером 50 нанометров в деионизированной воде, после чего их перенесли в специальный 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 (в ходе этого процесса частицы золота объединились в единую структуру, образовав аэрогели. Размеры фрагментов этих аэрогелей были скорректированы специалистами в диапазоне от 10 до 200 нанометров, что позволило получить материал с исключительной чистотой и высокой степенью кристалличности.
«Проведенные нами исследования продемонстрировали, что парадокс чайного листа также актуален для наножидкостей. В случае его проявления в наножидкостях наблюдается неожиданный эффект сверхбыстрой агрегации, благодаря которому можно оперативно создавать аэрогели из частиц золота посредством простого перемешивания», — объяснил Цзехуэй.
Исследователи полагают, что их разработка может быть использована в фотокатализе – технологии, применяемой в химической промышленности для производства разнообразных материалов – и в поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии, методе, позволяющем улучшить комбинационное рассеяние молекул и получить структурные характеристики веществ даже при низких концентрациях).