Einsteinin teelehden paradoksi voisi auttaa aerogeelejen valmistamisessa – Physics World

Einsteinin teelehden paradoksi voisi auttaa aerogeelejen valmistamisessa – Physics World

Aikaleima: 11. lokakuuta 2023, klo 9

Kuvassa valkoinen muovinen sekoitin, joka sekoittaa meripihkanruskeaa nestettä metallisäiliössä
Se ei ole teetä, mutta paradoksi pätee silti: kullan nanohiukkasten dispergoiminen vesipitoiseen klooriliuokseen. (Kohtelias: Ai Du)

Jos sekoitat nanopartikkeleita sisältävää kolloidista liuosta, saatat odottaa hiukkasten jakautuvan tasaisesti nesteen läpi. Mutta niin ei tapahdu. Sen sijaan hiukkaset päätyvät keskittymään tietylle alueelle ja voivat jopa kasautua yhteen. Tämä odottamaton tulos on esimerkki Einsteinin teelehden paradoksista, ja Kiinan Tongjin yliopiston tutkijat, jotka löysivät sen – aivan vahingossa – sanovat, että sitä voitaisiin käyttää keräämään hiukkasia tai molekyylejä havaitsemista varten laimeassa liuoksessa. Tärkeää on, että sitä voitaisiin käyttää myös aerogeelien valmistamiseen teknologisiin sovelluksiin.

Yleensä sekoitetaan nestettä, jotta aineet jakautuvat tasaisesti siihen. Ilmiö, joka tunnetaan nimellä Einsteinin teelehden paradoksi, kuvaa käänteistä vaikutusta, jossa hyvin sekoitetun teekupin lehdet sen sijaan keskittyvät donitsin muotoiseen alueeseen ja kerääntyvät kupin pohjalle, kun sekoittaminen lakkaa. Vaikka tämä paradoksi on ollut tiedossa yli 100 vuotta ja sen ymmärretään johtuvan toissijaisesta virtausvaikutuksesta, on vain vähän tutkimuksia siitä, kuinka se ilmenee nanohiukkasille sekoitettussa liuoksessa.

Nesteen "puristaminen"

Ai Du:n johtamat tutkijat Fysiikan tiede- ja tekniikan korkeakoulusta klo Tongji yliopiston Shanghaissa on nyt simuloitu kuinka veteen dispergoituneet kullan nanopartikkelipallot liikkuvat liuosta sekoitettaessa. Kun he laskivat nesteen virtausnopeusjakauman, he havaitsivat, että nopeus, jolla hiukkaset liikkuvat, näyttää seuraavan nesteen virtausnopeutta.

"Mielenkiintoista on, että jakamalla koko säiliön useisiin sektoreihin havaitsimme myös, että sekoittimen ohjaama suurnopeusalue oli myös alue, jossa hiukkaset aggregoituivat", selittää Du. "Uskomme, että tämä ilmiö johtuu luultavasti sekoittimen synnyttämän nesteen suorasta "puristamisesta" ja johtuu nanohiukkasten ja nestefaasin välisistä massaeroista.

Du kertoo, että hän ja hänen kollegansa huomasivat vaikutuksen aivan vahingossa – kiitos pakkauksen Longjing-teelehtiä, jonka Du sai ystävältään lahjaksi. "Juon tätä teetä toimistossani melkein joka työpäivä", Du kertoo. ”Kiinassa meillä on monia erilaisia ​​tapoja valmistaa teetä, mutta valitsin yksinkertaisimman tavan, joka on kuuman veden lisääminen mukiin, jossa irtoteetä on. Vaikka nautin todella teehetkestä, mukin puhdistaminen on vähemmän miellyttävää. Et voi heittää teelehtiä suoraan pesualtaaseen, koska se tukkiisi viemärit, joten lisään vettä mukiini ja kaadan sisällön sitten nopeasti teeroskakoriin, jossa on verkko. Minun on toistettava tämä prosessi useita kertoja, koska jotkut teelehdet päätyvät aina kiinni mukin sisäpintoihin. Tämä on veden ja aikani hukkaa.

"Eräänä päivänä muistin Einsteinin teelehden paradoksin", hän kertoo Fysiikan maailma, "joten yritin pyörittää teelehtiä ja vesiseosta pyörittämällä mukia nopeasti. Tällä tavalla onnistuin pääsemään eroon kaikista lehdistä ja vedestä yhdellä kertaa."

Nopeuttaa geeliytymistä

Du puhui tästä jaksosta – ja siihen liittyvästä teoriasta – yhdelle tohtoriopiskelijalleen, Zehui Zhangille, jolla oli sattumalta ongelmia kokeen kanssa, jossa hän yritti valmistaa erittäin puhtaita kultaaerogeelejä dispergoimalla kullan nanohiukkasia kloorin vesiliuosta. Zhang oli valinnut yksinkertaisen tekniikan valmistaakseen aerogeeliä, joka ei sisältänyt pinta-aktiivisia aineita, mutta tämä lähestymistapa merkitsi sitä, että hänen oli odotettava melkein viikko kultananohiukkasten laskeutumista ulos. Liuoksen lämmittäminen ei myöskään merkittävästi nopeuttanut aggregaatiota.

"Hän havaitsi, että liuosta sekoittamalla geeliytyminen tapahtui vain 20 minuutissa", Du sanoo. "Keskustelimme mekanismista ja päättelimme, että se johtui todennäköisesti Einsteinin teelehden paradoksista. Tämä sai meidät tutkimaan vaikutusta tarkemmin."

Du sanoo uuden menetelmän, joka on kuvattu yksityiskohtaisesti Tiede ennakot, voisi auttaa valmistamaan muita aerogeelejä tulevaisuudessa, ja hän ja hänen kollegansa ovat jo alkaneet valmistaa erilaisia ​​metalli- ja oksidiaerogeelejä testatakseen tekniikkaansa. "Laminaarivirtauksen paikallista konsentraatiovaikutusta voidaan käyttää myös keräämään laimeasta liuoksesta hiukkasia tai molekyylejä, joita voitaisiin käyttää ympäristötekniikan biotieteiden jäämien havaitsemiseen", hän sanoo.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma