Einsteins tebladsparadox kan hjälpa till att göra aerogeler – Physics World

Einsteins tebladsparadox kan hjälpa till att göra aerogeler – Physics World

Tidsstämpel: 11 oktober 2023 9:40

Foto som visar en vit plastomrörare som rör om bärnstensbrun vätska i en metallbehållare
Det är inte te, men paradoxen gäller fortfarande: att sprida guldnanopartiklar i en vattenhaltig klorlösning. (Med tillstånd: Ai Du)

Om du rör om en kolloidal lösning som innehåller nanopartiklar kan du förvänta dig att partiklarna sprids jämnt genom vätskan. Men det är inte vad som händer. Istället hamnar partiklarna koncentrerade i en specifik region och kan till och med klumpa ihop sig. Detta oväntade resultat är ett exempel på Einsteins tebladsparadox, och forskarna vid Tongji University i Kina som upptäckte det – helt av en slump – säger att det kunde användas för att samla partiklar eller molekyler för upptäckt i en utspädd lösning. Viktigt är att den också kan användas för att tillverka aerogeler för tekniska tillämpningar.

Vi brukar röra om en vätska för att jämnt fördela ämnena i den. Fenomenet som kallas Einsteins tebladsparadox beskriver en omvänd effekt där bladen i en välrörd kopp te istället koncentreras till ett munkformat område och samlas längst ner i mitten av koppen när omrörningen upphör. Även om denna paradox har varit känd i mer än 100 år och man förstår att den orsakas av en sekundär flödeseffekt, finns det få studier om hur den manifesterar sig för nanopartiklar i en omrörd lösning.

Flytande "klämning"

Forskare under ledning av Ai Du från School of Physics Science and Engineering vid Tongji University i Shanghai har man nu simulerat hur guldnanopartikelsfärer spridda i vatten rör sig när lösningen rörs om. När de beräknade vätskans flödeshastighetsfördelning fann de att hastigheten med vilken partiklarna rör sig verkar följa vätskans flödeshastighet.

"Intressant nog, genom att dela upp hela behållaren i flera sektorer, observerade vi också att den höghastighetsregion som drivs av omröraren också var den region där partiklarna aggregerade", förklarar Du. "Vi tror att detta fenomen förmodligen beror på direkt 'klämning' av vätskan som skapas av omröraren och kommer från massaskillnaderna mellan nanopartiklarna och vätskefasen."

Du säger att han och hans kollegor upptäckte effekten helt av en slump – tack vare ett paket Longjing-teblad som Du fick av en vän i present. "Jag dricker det här teet på mitt kontor nästan varje arbetsdag", berättar Du. ”I Kina har vi många olika sätt att göra te, men jag valde den enklaste metoden – det är att tillsätta varmt vatten i en mugg som innehåller det lösa teet. Även om jag verkligen njuter av testunden är det mindre trevligt att rengöra muggen. Du kan inte slänga tebladen direkt i diskhon eftersom det skulle täppa till avloppet så jag lägger till lite vatten i min mugg och häller sedan snabbt ut innehållet i en tesoptunna med ett nät. Jag måste upprepa denna process flera gånger eftersom vissa teblad alltid fastnar på insidan av muggen. Det här är slöseri med vatten och min tid.

"En dag kom jag ihåg Einsteins tebladsparadox", berättar han Fysikvärlden, "så jag försökte rotera tebladen och vattenblandningen genom att snabbt rotera muggen. På så sätt lyckades jag bli av med alla löv och vattnet på en gång.”

Påskyndar gelning

Du pratade om denna episod – och den tillhörande teorin – med en av sina doktorander, Zehui Zhang, som av en slump hade problem med ett experiment där han försökte förbereda aerogeler av hög renhet av guld genom att sprida guldnanopartiklar i en vattenhaltig klorlösning. Zhang hade valt en enkel teknik för att förbereda aerogelen som inte involverade några ytaktiva ämnen, men detta tillvägagångssätt innebar att han fick vänta nästan en vecka på att guldnanopartiklarna skulle sedimentera ut. Uppvärmning av lösningen påskyndade inte heller aggregationen nämnvärt.

"Han upptäckte att gelningen skedde på bara 20 minuter genom att röra om lösningen", säger Du. "Vi diskuterade mekanismen och drog slutsatsen att den förmodligen orsakades av Einsteins tebladsparadox. Detta fick oss att studera effekten mer i detalj.”

Du säger att den nya metoden, som beskrivs i detalj i Vetenskap Förskott, skulle kunna bidra till att göra andra aerogeler i framtiden och han och hans kollegor har redan börjat förbereda olika typer av metall- och oxidaerogeler för att testa deras teknik. "Den lokaliserade koncentrationseffekten i laminärt flöde kan också användas för att samla upp partiklar eller molekyler från en utspädd lösning, som kan användas för spårdetektering inom biovetenskap inom miljöteknik", säger han.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden