Zespół badaczy z Wydziału Fizyki UW i Uniwersytetu w Utrechcie zaobserwował – po raz pierwszy eksperymentalnie – efekt orzecha brazylijskiego w mieszaninie naładowanych cząstek koloidalnych. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „The Proceedings of the National Academy of Sciences”.

Zjawisko wydobywania się dużych przedmiotów na powierzchnię mieszaniny, noszące fachową nazwę konwekcji granularnej, popularnie określane jest jako „efekt orzecha brazylijskiego”. Nazwa ta ma swoje źródło w sytuacji potrząsania otwartą torebką z mieszanką orzechów, gdzie największe z nich – orzechy brazylijskie – unoszą się na wierzch. Zjawisko to występuje powszechnie w przyrodzie. Można je także zaobserwować, potrząsając np. wiaderkiem z piaskiem i kamykami.

Ten niezwykły efekt przeczy intuicji, zgodnie z którą cięższe przedmioty powinny opadać na dno z powodu grawitacji. Tak dzieje się w przypadku powszechnego w przyrodzie zjawiska sedymentacji – procesu polegającego na opadaniu cząstek ciała stałego rozproszonego w cieczy, pod wpływem grawitacji lub sił bezwładności.

Efekt orzecha brazylijskiego w koloidzie 

Dotychczas uważano, że do powstania efektu orzecha brazylijskiego niezbędny jest dopływ energii z zewnątrz, czyli np. wstrząśnięcie torebką. Jednak opracowywane modele teoretyczne sugerowały, że zjawisko to może zajść samoczynnie, bez dostarczenia energii spoza układu. Obliczenia teoretyczne udało się potwierdzić eksperymentalnie po raz pierwszy grupie fizyków doświadczalników i teoretyków z Uniwersytetu w Utrechcie i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Wyniki badań ukazały się w artykule opublikowanym w czasopiśmie „The Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America” (PNAS).

– Pokazaliśmy, że efekt orzecha brazylijskiego może zajść w mieszaninie naładowanych cząstek koloidalnych, napędzanych wyłącznie przez ruchy Browna i odpychanie się ładunków elektrycznych – podkreśla dr Jeffrey Everts z Wydziału Fizyki UW, który pod kierunkiem René van Roij z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu w Utrechcie przeprowadził obliczenia teoretyczne.

Koloidalna mieszanina

Do przeprowadzenia doświadczenia badacze wykorzystali naładowane cząstki o różnych średnicach (tj. małe i duże) polimetakrylanu metylu. Jako środek rozpraszający zastosowano niskopolarny rozpuszczalnik, bromek cykloheksylu.

Jak podkreślają badacze, choć zarówno w mieszaninach ziarnistych (np. orzechach), jak i koloidalnych dochodzi do „efektu orzecha brazylijskiego”, mechanizmy jego powstawania są różne. W przypadku mieszanki orzechów w efekcie wstrząśnięcia mniejsze orzechy wypełniają luki powstałe na dnie, wypychając większe orzechy na wierzch.  Tymczasem naładowane cząstki w zawiesinie koloidalnej wykonują ruchy Browna w wyniku zderzeń z otaczającymi je 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 dr Everts.

Odkrycie efektu orzecha brazylijskiego w mieszaninach cząstek koloidalnych może być wykorzystane w wielu dziedzinach, od geologii po fizykę miękkiej materii. Wiedza ta może być bezpośrednio zastosowana w przemyśle, na przykład do stabilizacji farb i atramentów.