Einsteins tebladsparadoks kunne hjælpe med at lave aerogeler – Physics World

Einsteins tebladsparadoks kunne hjælpe med at lave aerogeler – Physics World

Tidsstempel: 11. oktober 2023 kl. 9

Foto, der viser en hvid plastikomrører, der omrører ravbrun væske i en metalbeholder
Det er ikke te, men paradokset gør sig stadig gældende: At sprede guldnanopartikler i en vandig kloropløsning. (Med høflighed: Ai Du)

Hvis du omrører en kolloid opløsning, der indeholder nanopartikler, kan du forvente, at partiklerne fordeler sig jævnt gennem væsken. Men det er ikke det, der sker. I stedet ender partiklerne koncentreret i en bestemt region og kan endda klumpe sammen. Dette uventede resultat er et eksempel på Einsteins tebladsparadoks, og forskerne ved Tongji University i Kina, der opdagede det - helt ved et tilfælde - siger, at det kunne bruges til at indsamle partikler eller molekyler til påvisning i en fortyndet opløsning. Det er vigtigt, at det også kan bruges til at lave aerogeler til teknologiske anvendelser.

Vi plejer at røre en væske for jævnt at sprede stofferne i den. Fænomenet kendt som Einsteins tebladsparadoks beskriver en omvendt effekt, hvor bladene i en godt rørt kop te i stedet bliver koncentreret i et doughnut-formet område og samles i bunden af ​​midten af ​​koppen, når omrøringen ophører. Mens dette paradoks har været kendt i mere end 100 år og forstås at være forårsaget af en sekundær strømningseffekt, er der få undersøgelser af, hvordan det manifesterer sig for nanopartikler i en omrørt opløsning.

Væske "klemning"

Forskere ledet af Ai Du fra School of Physics Science and Engineering ved Tongji University i Shanghai har nu simuleret, hvordan guld nanopartikelkugler spredt i vand bevæger sig, når opløsningen omrøres. Da de beregnede væskens strømningshastighedsfordeling, fandt de ud af, at den hastighed, hvormed partiklerne bevæger sig, ser ud til at følge væskens strømningshastighed.

"Interessant nok, ved at opdele hele beholderen i flere sektorer, observerede vi også, at højhastighedsområdet drevet af omrøreren også var det område, hvor partiklerne aggregerede," forklarer Du. "Vi tror, ​​at dette fænomen sandsynligvis skyldes direkte 'klemning' af væsken skabt af omrøreren og kommer fra masseforskellene mellem nanopartiklerne og væskefasen."

Du fortæller, at han og hans kolleger opdagede virkningen helt ved et uheld – takket være en pakke Longjing-teblade, som Du fik af en ven i gave. "Jeg drikker denne te på mit kontor næsten hver arbejdsdag," fortæller Du. ”I Kina har vi mange forskellige måder at lave te på, men jeg valgte den enkleste metode – det er at tilsætte varmt vand til et krus med den løse te. Selvom jeg virkelig nyder te-øjeblikket, er det mindre behageligt at rense kruset. Du kan ikke smide tebladene direkte i vasken, da det ville blokere afløbet, så jeg tilføjer lidt vand i mit krus og hælder derefter hurtigt indholdet ud i en te-skraldespand med et net. Jeg er nødt til at gentage denne proces flere gange, da nogle teblade altid ender med at klæbe til indersiden af ​​kruset. Det er spild af vand og min tid.

"En dag huskede jeg Einsteins tebladsparadoks," fortæller han Fysik verden, "så jeg prøvede at rotere tebladene og vandblandingen ved hurtigt at dreje kruset. På den måde lykkedes det mig at komme af med alle bladene og vandet på én gang.”

Fremskynder geldannelse

Du talte om denne episode – og den tilhørende teori – med en af ​​sine ph.d.-studerende, Zehui Zhang, som tilfældigvis havde problemer med et eksperiment, hvor han forsøgte at fremstille aerogeler af høj renhed ved at sprede guldnanopartikler i en vandig kloropløsning. Zhang havde valgt en simpel teknik til at forberede aerogelen, der ikke involverede nogen overfladeaktive stoffer, men denne tilgang betød, at han måtte vente næsten en uge på, at guldnanopartiklerne sedimenterede ud. Opvarmning af opløsningen fremskyndede heller ikke aggregationen væsentligt.

"Han fandt ud af, at ved at omrøre opløsningen skete geldannelsen på kun 20 minutter," siger Du. "Vi diskuterede mekanismen og konkluderede, at den sandsynligvis var forårsaget af Einsteins tebladsparadoks. Dette fik os til at studere effekten mere detaljeret."

Du siger den nye metode, som er detaljeret i Science Forskud, kunne hjælpe med at lave andre aerogeler i fremtiden, og han og hans kolleger er allerede begyndt at forberede forskellige slags metal- og oxidaerogeler for at teste deres teknik. "Den lokaliserede koncentrationseffekt i laminær strømning kan også bruges til at opsamle partikler eller molekyler fra en fortyndet opløsning, som kunne bruges til spordetektering i biovidenskab inden for miljøteknik," siger han.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden