Физики Утрехтского университета и физического факультета Варшавского университета впервые экспериментально наблюдали эффект бразильского ореха в смеси заряженных коллоидных частиц.
До сих пор считалось, что для создания этого эффекта требуется приток внешней энергии, но исследователи смогли подтвердить, что этот процесс может происходить самопроизвольно. Выводы, опубликованные в The Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), могут найти применение в самых разных областях, от геологии до физики мягкого вещества.
Наверняка вам когда-нибудь приходилось встряхивать открытый пакет ореховой смеси. Вы замечали, что после такой процедуры самые крупные орехи в смеси — бразильские орехи — всплывают наверх? Явление подъема крупных объектов на поверхность смеси мелких объектов, носящее профессиональное название гранулярной конвекции, в народе называют «эффектом бразильского ореха» и часто встречается в природе. Его также можно наблюдать, встряхивая, например, ведро с песком и галькой.
Этот необычный эффект противоречит интуитивным представлениям о том, что более тяжелые объекты должны опускаться на дно под действием силы тяжести и инерции. Так обстоит дело с обычным в природе явлением седиментации — процессом опускания твердых частиц, диспергированных в жидкости, под действием сил гравитации или инерции. Седиментация играет роль в таких процессах, как образование осадочных пород, а также используется для очистки воды и сточных вод или выделения клеток из крови.
Эффект бразильского ореха в заряженных коллоидах
До сих пор считалось, что для создания эффекта бразильского ореха необходим приток внешней энергии, такой как встряхивание мешка. Однако разрабатываемые теоретические модели предполагали, что явление может происходить самопроизвольно, без подвода внешней энергии. Теоретические расчеты были впервые подтверждены экспериментально группой физиков-экспериментаторов и физиков-теоретиков из Утрехтского университета и физического факультета Варшавского университета.
«Мы показали, что эффект бразильского ореха может иметь место в смеси заряженных коллоидных частиц, движущихся исключительно за счет броуновского движения и отталкивания электрических зарядов», — подчеркивает Джеффри Эвертс с физического факультета Варшавского университета, который под руководством Рене ван Рой из Института теоретической физики Утрехтского университета провел теоретические расчеты для эксперимента. Маржолейн ван дер Линден, работавшая под руководством Альфонса ван Блаадерена из Дебайского института наноматериаловедения Утрехтского университета, отвечала за экспериментальную часть исследования.
Коллоидная смесь
Для проведения эксперимента исследователи использовали заряженные частицы полиметилметакрилата разного диаметра (большие и маленькие). В качестве диспергатора использовали малополярный растворитель – циклогексилбромид.
Как отмечают исследователи, хотя и в гранулированных (например, ореховых), и в коллоидных смесях возникает «эффект бразильского ореха», механизмы его формирования совершенно разные. В случае с ореховой смесью в результате встряхивания более мелкие орехи заполняют образовавшиеся в нижней части промежутки, выталкивая более крупные орехи наверх.
Между тем заряженные частицы в коллоиде совершают броуновское движение в результате столкновений с окружающими молекулами растворителя. «Каждая частица заряжена положительно. Более тяжелые, но более крупные частицы имеют больший заряд, поэтому они сильнее отталкиваются друг от друга, заставляя их легче двигаться вверх, чем более мелкие, но более легкие частицы», — объясняет Джеффри Эвертс.
Открытие «эффекта бразильского ореха» в смесях коллоидных частиц может быть использовано во многих областях от геологии до физики мягкого вещества. Он также может найти применение в промышленности, например, для обеспечения стабильности красок и чернил.
Теги: гравитация
