Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego i z uczelni w Holandii po raz pierwszy wykazali eksperymentalnie, że tzw. efekt orzecha brazylijskiego nie wymaga dostarczania energii. Odkrycie może mieć kluczowe znaczenie dla wielu dziedzin nauki i przemysłu.
Czym jest efekt orzecha brazylijskiego i dlaczego ma on znaczenie? „Pewnie zdarzyło się wam kiedyś potrząsnąć otwartą torebką z mieszanką orzechów” – zagajają naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. – „Zauważyliście, że po takim zabiegu największe orzechy w mieszance – orzechy brazylijskie – unoszą się na wierzch? Zjawisko wydobywania się dużych przedmiotów na powierzchnię mieszaniny, noszące fachową nazwę konwekcji granularnej, popularnie określane jest właśnie jako ‘efekt orzecha brazylijskiego’. Występuje ono powszechnie w przyrodzie, zaobserwujemy je także potrząsając np. wiaderkiem z piaskiem i kamykami”.
Efekt orzecha brazylijskiego
Do tej pory panowała opinia, że wspominany efekt wymaga dostarczania energii z zewnątrz – w przypadku orzechów będzie to potrząsanie torebką. Nowe modele teoretyczne sugerowały jednak, że zjawisko może zachodzić także samoczynnie. Teraz badacze z UW oraz ich współpracownicy z Uniwersytetu w Utrechcie udowodnili to eksperymentalnie.
W doświadczeniu opisanym na łamach periodyku „The Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America” (DOI: 10.1073/pnas.2213044120) uzyskali wspomniany efekt w koloidzie.
– Pokazaliśmy, że efekt orzecha brazylijskiego może zajść w mieszaninie naładowanych cząstek koloidalnych, napędzanych wyłącznie przez ruchy Browna i odpychanie się ładunków elektrycznych” – opowiada Jeffrey Everts z Wydziału Fizyki UW, który pod kierunkiem René van Roij z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu w Utrechcie przeprowadził obliczenia teoretyczne.
Za część eksperymentalną badania odpowiadała Marjolein van der Linden, pracująca pod kierunkiem Alfonsa van Blaaderena z Instytutu Nanomateriałów im. Debye’a Uniwersytetu w Utrechcie.
Znaczące odkrycie
Choć mowa o tym samym efekcie, co w torebce z orzechami, to mechanizm leżący u podstaw zachowania cząsteczek w koloidzie był inny. W przypadku orzechów czy np. ziaren piasku i kamyków, podczas wstrząsania mniejsze orzechy czy kamyki wypełniają powstające na dnie luki, przez co większe są wypychane ku górze. Zawieszone w rozpuszczalniku cząstki miały nie tylko różne rozmiary, ale także ładunek elektryczny. Efekt w koloidzie był napędzany ruchami Browna koloidalnych cząstek zachodzącymi w wyniku zderzeń z cząsteczkami rozpuszczalnika.
– Każda z cząstek naładowana jest dodatnio. Cięższe, ale zarazem większe cząstki mają większy ładunek, więc odpychają się mocniej, co sprawia, że poruszają się w górę łatwiej, niż mniejsze, a zarazem lżejsze cząstki – wyjaśnia Jeffrey Everts.
Odkrycie może mieć niemałe znaczenie dla nauki i przemysłu, w tym dla geologii, fizyki miękkiej materii, czy stabilizacji farb i atramentów – podkreślają naukowcy.
Źródło: www.naukawpolsce.pl, fot. רנדום, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
