Парадоксът на чаените листа на Айнщайн доведе до спонтанно образуване на ценен материал

Докладът на немския физик е вече на почти 100 години, а самият парадокс е много по-стар, но изследователи по света продължават да го използват в работата си. Например китайски учени наскоро го използвали за изследване на концентрацията на вещества в нанофлуиди.

През 1926 г. Алберт Айнщайн представя доклад пред Пруската академия на науките, който посвещава на закона на Бер. На няколко страници физикът говори за явление, което по-късно ще бъде наречено „парадокс на чаените листа“. Ученият не само описва този ефект, но и разкрива механизма на неговото действие. Айнщайн използва решението на парадокса като пример, за да обясни закона на Бер.

ОЩЕ: Физици решиха парадокс на Леонардо да Винчи

В какво се състои парадоксът? Ако сварите насипен или гранулиран чай в чаша и след това го разбъркате с лъжица, чаените листа ще започнат да се въртят в центъра, което от гледна точка на физиката не трябва да се случва. Според физичните закони, под въздействието на центробежните сили чаените листа трябва да се притискат към стените на чашата, тъй като при въртене в течност частиците винаги се стремят към стените на съда.

Какво според Айнщайн се случва в чашата? Когато започне смесването, се създава нещо като баланс на силите.

От една страна, центробежната сила „изтласква” частиците течност навън, от друга страна, поради силата на триене между водата и стените на края на чашата се появява градиент на налягането, който нараства от центъра към краищата и притиска към оста на въртене.

Това разпределение на налягането, заедно със силата на триене на водата на дъното и стените, създава центростремителна сила: тя придвижва чаените листа към центъра и води до появата на вторичен поток. Именно този поток придвижва чаените листа към центъра на чашата.

Разбира се, хората са знаели за парадокса на чаените листа още преди Айнщайн. Например описание на това явление, както и опити за обяснението му, се намират в трудовете на британския физик Джеймс Томсън (1857), френския механик Жозеф Валентин Бусинеск (1868) и руския машинен инженер Александър Милович (1913). Но именно Айнщайн го решава първи.

Днес този парадокс се използва в най-различни области на науката: с негова помощ учените обясняват редица процеси в медицината, геологията, физиката, включително материалознанието.

Екип китайски учени от университета Тундзи използвали парадокса на чаените листа, за да изследват поведението на златния наночастици в наноразтвори. Резултатите от работата са публикувани в списанието Science Advances.

Първо, използвайки платформа за проектиране и моделиране на работния процес COMSOL Multiphysics, учените изследвали връзката между разпределението на наночастиците и скоростта на потока. Това трябвало да се направи, за да се пресъздаде движението на наночастиците по време на смесване в ламинарен поток (наричан още ламинарно течение).

След това специалистите проследили траекторията на наночастиците в потока след смесване в продължение на 500 секунди. Оказало се, че наночастиците, намиращи се в центъра, се движат по-бързо по по-дълга траектория и се сблъскват по-често, в центъра концентрацията им се увеличава и те често се „слепват“.

Въз основа на получените данни учените смятат, че движението на наночастиците ще се подчинява на парадокса на чаените листа в нанофлуиди. За да демонстрират парадокса на нанониво, учените разпръснали наночастици от силициев диоксид (SiO2) с размер 50 нанометра в дейонизирана вода и след това ги поставили в специален наноразтвор.

Изследователите се оказали прави: натрошените наночастици в нанофлуиди се държали по същия начин като чаените листа в чаша, тоест те се подчинявали на парадокса на чаените листа.

ОЩЕ: 10 открития, които доказват, че Айнщайн е бил прав за Вселената, и 1, което доказва, че греши

Когато изследователите взеха златни наночастици като наноматериал, при разбъркване парадоксът на чаените листа довел до неочакван ефект – свръхбърза агрегация (процес на обединяване на елементи в една система), в резултат на което от частиците злато се формирали аерогелове. Експертите „коригирали“ размерите на тези парчета аерогел от около 10 до 200 нанометра и получили материал с изключително висока чистота и висока степен на кристалност.

„Нашата работа показа, че парадоксът на чаените листа се отнася и за нанофлуидите. Когато това явление се наблюдава в нанофлуиди, възниква неочакван ефект на свръхбърза агрегация, който позволява бързото образуване на аерогелове от златни частици с просто разбъркване“, обясняват учените.