Nghịch lý lá trà của Einstein có thể giúp tạo ra aerogel – Vật lý Thế giới

Nghịch lý lá trà của Einstein có thể giúp tạo ra aerogel – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: 11 tháng 2023 năm 9 40:XNUMX sáng

Hình ảnh máy khuấy nhựa màu trắng đang khuấy chất lỏng màu nâu hổ phách đựng trong hộp kim loại
Đó không phải là trà, nhưng nghịch lý vẫn được áp dụng: Phân tán các hạt nano vàng trong dung dịch clo. (Ảnh: Ái Du)

Nếu bạn khuấy dung dịch keo có chứa các hạt nano, bạn có thể mong đợi các hạt sẽ phân tán đều trong chất lỏng. Nhưng đó không phải là điều xảy ra. Thay vào đó, các hạt cuối cùng tập trung ở một khu vực cụ thể và thậm chí có thể kết tụ lại với nhau. Kết quả bất ngờ này là một ví dụ về nghịch lý lá trà của Einstein, và các nhà nghiên cứu tại Đại học Tongji ở Trung Quốc đã phát hiện ra nó – khá tình cờ – cho biết nó có thể được sử dụng để thu thập các hạt hoặc phân tử nhằm phát hiện trong dung dịch loãng. Điều quan trọng là nó còn có thể được sử dụng để chế tạo aerogel cho các ứng dụng công nghệ.

Chúng ta thường khuấy một chất lỏng để phân tán đều các chất trong đó. Hiện tượng được gọi là nghịch lý lá trà của Einstein mô tả một hiệu ứng ngược trong đó những chiếc lá trong một tách trà được khuấy đều sẽ tập trung lại ở một khu vực hình bánh rán và tập trung lại ở giữa đáy cốc sau khi ngừng khuấy. Mặc dù nghịch lý này đã được biết đến hơn 100 năm và được hiểu là do hiệu ứng dòng chảy thứ cấp gây ra, nhưng có rất ít nghiên cứu về cách nó biểu hiện đối với các hạt nano trong dung dịch được khuấy.

Chất lỏng “ép”

Các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Ái Du của Trường Khoa học Vật lý và Kỹ thuật tại Đại học Tongji ở Thượng Hải hiện đã mô phỏng cách các quả cầu hạt nano vàng phân tán trong nước chuyển động khi dung dịch được khuấy. Khi họ tính toán sự phân bố tốc độ dòng chảy của chất lỏng, họ phát hiện ra rằng tốc độ di chuyển của các hạt dường như tuân theo tốc độ dòng chảy của chất lỏng.

Du giải thích: “Thật thú vị, bằng cách chia toàn bộ thùng chứa thành nhiều khu vực, chúng tôi cũng quan sát thấy vùng tốc độ cao do máy khuấy điều khiển cũng là khu vực trong đó các hạt tập hợp lại”. “Chúng tôi nghĩ rằng hiện tượng này có thể là do sự 'ép' trực tiếp của chất lỏng được tạo ra bởi máy khuấy và xuất phát từ sự khác biệt về khối lượng giữa các hạt nano và pha lỏng.”

Du nói rằng anh và các đồng nghiệp phát hiện ra tác dụng này khá tình cờ – nhờ một gói lá trà Long Tỉnh mà Du nhận được từ một người bạn làm quà. Du kể lại: “Hầu như ngày làm việc nào tôi cũng uống loại trà này ở văn phòng. “Ở Trung Quốc, chúng tôi có nhiều cách pha trà khác nhau, nhưng tôi chọn phương pháp đơn giản nhất – đó là cho nước nóng vào cốc đựng trà lỏng. Trong khi tôi thực sự tận hưởng khoảnh khắc thưởng thức trà, việc lau chùi cốc lại kém dễ chịu hơn. Bạn không thể ném lá trà trực tiếp vào bồn rửa vì điều này sẽ làm tắc cống thoát nước, vì vậy tôi thêm một ít nước vào cốc của mình rồi nhanh chóng đổ lá trà ra vào thùng đựng trà có lưới. Tôi phải lặp lại quá trình này nhiều lần vì một số lá trà luôn dính vào bề mặt bên trong của cốc. Đây là một sự lãng phí nước và thời gian của tôi.

“Một ngày nọ, tôi nhớ đến nghịch lý lá trà của Einstein,” ông kể. Thế giới vật lý“Vì vậy tôi đã thử xoay hỗn hợp lá trà và nước bằng cách xoay nhanh cốc. Bằng cách này, tôi đã thành công trong việc loại bỏ hết lá và nước trong một lần.”

Tăng tốc độ tạo gel

Du đã nói về tình tiết này – và lý thuyết liên quan – với một trong những nghiên cứu sinh tiến sĩ của ông, Zehui Zhang, người tình cờ gặp rắc rối với một thí nghiệm trong đó ông đang cố gắng điều chế aerogel vàng có độ tinh khiết cao bằng cách phân tán các hạt nano vàng trong một dung dịch. dung dịch nước clo. Zhang đã chọn một kỹ thuật đơn giản để điều chế aerogel không chứa bất kỳ chất hoạt động bề mặt nào, nhưng phương pháp này có nghĩa là anh phải đợi gần một tuần để các hạt nano vàng lắng xuống. Làm nóng dung dịch cũng không làm tăng đáng kể quá trình kết tụ.

Du cho biết: “Anh ấy nhận thấy rằng bằng cách khuấy dung dịch, quá trình tạo gel xảy ra chỉ trong 20 phút”. “Chúng tôi đã thảo luận về cơ chế này và kết luận rằng có lẽ nguyên nhân là do nghịch lý lá trà của Einstein. Điều này thôi thúc chúng tôi nghiên cứu hiệu ứng này chi tiết hơn.”

Du cho biết phương pháp mới được trình bày chi tiết trong Những tiến bộ khoa học, có thể giúp tạo ra các loại aerogel khác trong tương lai và ông cùng các đồng nghiệp đã bắt đầu chuẩn bị các loại aerogel kim loại và oxit khác nhau để thử nghiệm kỹ thuật của họ. “Hiệu ứng tập trung cục bộ trong dòng chảy tầng cũng có thể được sử dụng để thu thập các hạt hoặc phân tử từ dung dịch loãng, có thể được sử dụng để phát hiện dấu vết trong khoa học đời sống trong kỹ thuật môi trường,” ông nói.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý