Nowe odkrycie polskich naukowców w mechanice granularnej: Samoczynny “Efekt Orzecha Brazylijskiego”
Wielki krok naprzód w naukach naturalnych został osiągnięty przez naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu w Utrechcie. Po raz pierwszy udowodniono eksperymentalnie, że tzw. “efekt orzecha brazylijskiego” może zachodzić bez dostarczania zewnętrznej energii. Zrozumienie tego procesu ma potencjalne implikacje dla wielu dziedzin, zarówno naukowych, jak i przemysłowych.
Efekt orzecha brazylijskiego jest zjawiskiem konwekcji granularnej, gdzie większe elementy mieszaniny powstają na wierzchu. Można to zaobserwować na przykład podczas potrząsania torbą mieszanych orzechów, gdzie największe orzechy, czyli orzechy brazylijskie, pojawiają się na górze. W przeszłości powszechnie uważano, że do zachodzenia tego efektu potrzebne jest dostarczenie energii z zewnątrz, np. poprzez potrząsanie torbą. Ale nowe modele teoretyczne zasugerowały, że zjawisko może również zachodzić samoczynnie.
Doświadczenia przeprowadzone przez zespół z UW i Utrecht University pokazały, że efekt orzecha brazylijskiego może faktycznie występować spontanicznie. W badaniu opublikowanym w czasopiśmie “The Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America” naukowcy obserwowali ten efekt w koloidzie.
Jeffrey Everts z Wydziału Fizyki UW, wraz z René van Roij z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu w Utrechcie, wyjaśnia:
“Pokazaliśmy, że efekt orzecha brazylijskiego może występować w mieszaninie naładowanych cząstek koloidalnych, napędzanych wyłącznie przez ruchy Browna i odpychanie się ładunków elektrycznych”.
Mechanizm ten jest jednak nieco inny niż ten, który widzimy w torbie z orzechami. Podczas potrząsania torbą, mniejsze orzechy wypełniają przestrzeń na dnie, co zmusza większe do przemieszczania się do góry. W przypadku koloidów, cząstki zawieszone w rozpuszczalniku nie tylko różnią się rozmiarami, ale także mają ładunek elektryczny. Efekt orzecha brazylijskiego w koloidzie jest napędzany ruchami Browna koloidalnych cząstek, które są wynikiem zderzeń z cząstkami rozpuszczalnika.
“Każda cząstka koloidalna posiada dodatni ładunek. Większe i cięższe cząstki mają większy ładunek, co powoduje, że silniej się odpychają, ułatwiając im przemieszczenie się ku górze, w porównaniu do mniejszych i lżejszych cząstek” – tłumaczy Everts.
To odkrycie ma ogromne znaczenie dla wielu dziedzin nauki i przemysłu. Naukowcy podkreślają potencjalne zastosowania w geologii, fizyce miękkiej materii, a także w procesach stabilizacji farb i atramentów.
Potwierdzenie teoretycznych modeli efektu orzecha brazylijskiego, które nie wymagają dostarczania zewnętrznej energii, otwiera nowe horyzonty badawcze. Nauka z pewnością jeszcze nie raz usłyszy o owocach pracy tego międzynarodowego zespołu.
