Einsteins Teeblatt-Paradoxon könnte bei der Herstellung von Aerogelen helfen – Physics World

Wenn Sie eine kolloidale Lösung mit Nanopartikeln umrühren, können Sie davon ausgehen, dass sich die Partikel gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilen. Aber das ist nicht der Fall. Stattdessen konzentrieren sich die Partikel in einer bestimmten Region und können sogar verklumpen. Dieses unerwartete Ergebnis ist ein Beispiel für Einsteins Teeblatt-Paradoxon, und die Forscher der Tongji-Universität in China, die es ganz zufällig entdeckten, sagen, dass es zum Sammeln von Partikeln oder Molekülen zum Nachweis in einer verdünnten Lösung verwendet werden könnte. Wichtig ist, dass es auch zur Herstellung von Aerogelen für technologische Anwendungen verwendet werden könnte.

Normalerweise rühren wir eine Flüssigkeit um, um die darin enthaltenen Substanzen gleichmäßig zu verteilen. Das als Einsteins Teeblatt-Paradoxon bekannte Phänomen beschreibt einen umgekehrten Effekt, bei dem sich die Blätter in einer gut gerührten Tasse Tee stattdessen in einem donutförmigen Bereich konzentrieren und sich am unteren Ende der Tasse sammeln, sobald das Rühren aufhört. Obwohl dieses Paradoxon seit mehr als 100 Jahren bekannt ist und man davon ausgeht, dass es durch einen sekundären Strömungseffekt verursacht wird, gibt es nur wenige Studien darüber, wie es sich bei Nanopartikeln in einer gerührten Lösung manifestiert.

Flüssigkeit „quetscht“

Forscher unter der Leitung von Ai Du von der School of Physics Science and Engineering bei Tongji-Universität in Shanghai haben nun simuliert, wie sich in Wasser dispergierte Goldnanopartikelkügelchen bewegen, wenn die Lösung gerührt wird. Als sie die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung der Flüssigkeit berechneten, stellten sie fest, dass die Geschwindigkeit, mit der sich die Partikel bewegen, der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu folgen scheint.

„Interessanterweise beobachteten wir durch die Aufteilung des gesamten Behälters in mehrere Sektoren auch, dass der vom Rührer angetriebene Hochgeschwindigkeitsbereich auch der Bereich war, in dem sich die Partikel aggregierten“, erklärt Du. „Wir glauben, dass dieses Phänomen wahrscheinlich auf das direkte ‚Zusammendrücken‘ der durch den Rührer erzeugten Flüssigkeit zurückzuführen ist und auf die Massenunterschiede zwischen den Nanopartikeln und der flüssigen Phase zurückzuführen ist.“

Du sagt, er und seine Kollegen hätten die Wirkung ganz zufällig entdeckt – dank einer Packung Longjing-Teeblätter, die Du von einem Freund geschenkt bekommen hatte. „Ich trinke diesen Tee fast jeden Arbeitstag in meinem Büro“, erzählt Du. „In China gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, Tee zuzubereiten, aber ich habe mich für die einfachste Methode entschieden – das Hinzufügen von heißem Wasser in eine Tasse mit dem losen Tee. Während ich den Tee-Moment wirklich genieße, ist das Reinigen der Tasse weniger angenehm. Sie können die Teeblätter nicht direkt in die Spüle werfen, da dies die Abflüsse verstopfen würde. Deshalb gebe ich etwas Wasser in meinen Becher und schütte den Inhalt dann schnell in einen Teemülleimer mit Sieb. Ich muss diesen Vorgang mehrmals wiederholen, da einige Teeblätter immer an den Innenflächen der Tasse kleben bleiben. Das ist eine Verschwendung von Wasser und meiner Zeit.

„Eines Tages erinnerte ich mich an Einsteins Teeblatt-Paradoxon“, erzählt er Physik-Welt„Also habe ich versucht, die Teeblätter-Wasser-Mischung durch schnelles Drehen des Bechers zu rotieren. Auf diese Weise ist es mir gelungen, alle Blätter und das Wasser auf einmal loszuwerden.“

Beschleunigt die Gelierung

Du sprach über diese Episode – und die damit verbundene Theorie – mit einem seiner Doktoranden, Zehui Zhang, der zufällig Probleme mit einem Experiment hatte, bei dem er versuchte, hochreine Goldaerogele durch Dispergieren von Goldnanopartikeln in einer Flüssigkeit herzustellen wässrige Chlorlösung. Zhang hatte sich für eine einfache Technik zur Herstellung des Aerogels entschieden, bei der keine Tenside zum Einsatz kamen, doch dieser Ansatz bedeutete, dass er fast eine Woche warten musste, bis die Goldnanopartikel aussedimentierten. Auch das Erhitzen der Lösung beschleunigte die Aggregation nicht wesentlich.

Die kolloidale Mischung existiert in bis zu sechs Phasen gleichzeitig

„Er fand heraus, dass die Gelierung durch Rühren der Lösung in nur 20 Minuten erfolgte“, sagt Du. „Wir diskutierten den Mechanismus und kamen zu dem Schluss, dass er wahrscheinlich durch Einsteins Teeblatt-Paradoxon verursacht wurde. Dies veranlasste uns, den Effekt genauer zu untersuchen.“

Du sagt die neue Methode, die detailliert beschrieben wird Wissenschaft Fortschritte, könnte in Zukunft bei der Herstellung weiterer Aerogele helfen, und er und seine Kollegen haben bereits damit begonnen, verschiedene Arten von Metall- und Oxid-Aerogelen herzustellen, um ihre Technik zu testen. „Der lokalisierte Konzentrationseffekt bei laminarer Strömung kann auch zum Sammeln von Partikeln oder Molekülen aus einer verdünnten Lösung genutzt werden, die für die Spurenerkennung in den Biowissenschaften der Umwelttechnik genutzt werden könnten“, sagt er.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/einsteins-tea-leaf-paradox-could-help-make-aerogels/