アインシュタインの茶葉のパラドックスはエアロゲルの製造に役立つ可能性 – Physics World

ナノ粒子を含むコロイド溶液を撹拌すると、粒子が液体中に均一に分散することが期待できます。 しかし、そんなことは起こりません。 その代わり、粒子は特定の領域に集中してしまい、凝集することもあります。 この予期せぬ結果はアインシュタインの茶葉のパラドックスの一例であり、これを発見した中国の同済大学の研究者らは、全くの偶然であったが、希薄溶液中で検出用の粒子や分子を収集するのに使用できる可能性があると述べている。 重要なのは、技術応用のためのエアロゲルの製造にも使用できる可能性があることです。

私たちは通常、液体中の物質を均一に分散させるために液体をかき混ぜます。 アインシュタインの茶葉のパラドックスとして知られる現象は、よくかき混ぜたカップ内の茶葉がドーナツ型の領域に集中し、かき混ぜが止まるとカップの底部中央に集まるという逆効果を説明しています。 このパラドックスは 100 年以上前から知られており、二次流動効果によって引き起こされると理解されていますが、撹拌された溶液中のナノ粒子にどのように現れるかについての研究はほとんどありません。

液体の「絞り」

物理科学工学部のアイ・ドゥ氏率いる研究者らは、 同済大学 上海の研究チームは、水中に分散した金ナノ粒子球が溶液を撹拌したときにどのように動くかをシミュレーションした。 彼らが流体の流速分布を計算したところ、粒子の移動速度が流体の流速に従っているように見えることがわかりました。

「興味深いことに、容器全体をいくつかのセクターに分割することにより、スターラーによって駆動される高速領域が粒子が凝集する領域でもあることも観察されました」と Du 氏は説明します。 「この現象はおそらくスターラーによって生成された液体の直接的な『絞り』によるものであり、ナノ粒子と液相の間の質量差に起因すると考えられます。」

杜氏は、友人からプレゼントとして受け取った龍井茶葉のパックのおかげで、彼と同僚がその効果を発見したのは全くの偶然だったと語った。 「私はほぼ毎日、オフィスでこのお茶を飲んでいます」とドゥ氏は語ります。 「中国ではさまざまなお茶の淹れ方がありますが、私は一番シンプルな茶葉の入ったマグカップにお湯を注ぐ方法を選びました。 お茶の瞬間はとても楽しいですが、マグカップを洗うのはあまり楽しくありません。 排水溝が詰まるので茶葉を直接シンクに捨てることはできないので、私はマグカップに水を入れて、中身をメッシュ付きのお茶用ゴミ箱にすぐに捨てます。 どうしてもマグカップの内側に茶葉が付着してしまうので、この作業を何度か繰り返す必要があります。 これは水と時間の無駄です。

「ある日、アインシュタインの茶葉のパラドックスを思い出しました」と彼は語ります。 物理学の世界」ということで、マグカップを高速回転させて茶葉と水を混ぜたものを回転させてみました。 こうして葉も水も一気に取り除くことができました。」

ゲル化のスピードアップ

Du 氏は、このエピソードとそれに関連する理論について、博士課程の学生の XNUMX 人である Zhang Zhang 氏に話しました。Zhang 氏は、偶然にも、金のナノ粒子を分散させて高純度の金エアロゲルを調製しようとする実験で問題を抱えていました。塩素水溶液。 Zhang 氏は界面活性剤を一切使用しないシンプルな手法を選択してエアロゲルを作成しましたが、この手法では金ナノ粒子が沈殿するまでほぼ XNUMX 週間待たなければなりませんでした。 溶液を加熱しても凝集は顕著に加速されませんでした。

コロイド混合物は一度に最大 XNUMX つの相で存在します

「溶液を撹拌すると、わずか 20 分でゲル化が起こることがわかりました」と Du 氏は言います。 「私たちはそのメカニズムについて議論し、おそらくアインシュタインの茶葉のパラドックスが原因であると結論づけました。 このため、私たちはその影響をより詳細に研究することになりました。」

Du 氏は、新しい方法について次のように述べています。 科学の進歩は、将来的に他のエアロゲルの製造に役立つ可能性があり、彼と彼の同僚はすでに技術をテストするためにさまざまな種類の金属および酸化物のエアロゲルの準備を始めています。 「層流における局所的な濃縮効果は、希薄溶液から粒子や分子を収集するのにも利用できる可能性があり、環境工学におけるライフサイエンスにおける微量検出に利用できる可能性があります。」と彼は言います。

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