Naukowcy z Warszawy zaobserwowali efekt orzecha brazylijskiego w mieszaninie cząstek

Uczeni z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu w Utrechcie jako pierwsi zaobserwowali tzw. efekt orzecha brazylijskiego w mieszaninie naładowanych cząstek koloidalnych. Wyniki badań, które zostały opublikowane na łamach PNAS, mogą mieć duże znaczenie w wielu dziedzinach nauki, od geologii po fizykę miękkiej materii. Zdobyta wiedza może też zostać wykorzystana w zastosowaniach przemysłowych, np. do stabilizacji farb czy atramentów.

Efekt orzecha brazylijskiego – czyli mówiąc fachowym językiem, konwekcja granularna – polega na wydobywaniu się dużych przedmiotów na powierzchnię mieszaniny. Możemy go zaobserwować np. potrząsając torebką z różnymi orzechami. Wówczas największe z nich, orzechy brazylijskie, trafią na wierzch. To powszechnie występujące w przyrodzie zjawisko przeczy intuicji. Oczekujemy bowiem, że większe przedmioty opadną na dno mieszaniny.

Dotychczas sądzono, że do pojawienia się efektu orzecha brazylijskiego konieczne jest dostarczenie energii z zewnątrz. Tak się na przykład dzieje gdy potrząsamy torebką. Jednak modele teoretyczne sugerowały, że zjawisko to powinno zachodzić również samoczynnie, bez energii spoza układu. Polscy i holenderscy naukowcy są pierwszymi, którzy doświadczalnie potwierdzili przewidywania teoretyczne.

Naukowcy wykorzystali naładowane cząstki polimetakrylanu metylu o różnych średnicach. Środkiem rozpraszającym był tutaj bromek cykloheksylu. Pokazaliśmy, że efekt orzecha brazylijskiego może zajść w mieszaninie naładowanych cząstek koloidalnych, napędzanych wyłącznie przez ruchy Browna i odpychanie się ładunków elektrycznych, mówi dr Jeffrey Everts z Uniwersytetu Warszawskiego.

Naukowcy zauważają, że we wspomnianej torebce orzechów oraz w ich eksperymencie dochodzi do tego samego zjawiska, ale pojawia się ono w różny sposób. Gdy potrząsamy torebką, dostarczamy energię z zewnątrz, a w wyniku tego mniejsze orzechy wypełniają luki, opadają na dno i wypychają orzechy większe na wierzch. Natomiast w zawiesinie koloidalnej naładowane cząstki wykonują ruchy Browna pod wpływem zderzeń z cząstkami 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 Everts.

efekt orzecha brazylijskiego cząstki koloidalne