Форма частиц значительно влияет на их диффузию
 Совмещение снимков, отражающее перемещение частицы в форме бумеранга в результате соударения с молекулами жидкости. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
В начале XX века Эйнштейн показал, что так называемое броуновское движение микроскопических частиц в воде наблюдается в результате соударений с молекулами жидкости. Он также показал, что расстояние, на которое перемещается броуновская частица, пропорциональна квадратному корню прошедшего с момента начала движения времени. Экспериментальное подтверждение этого факта стало одним из доказательств того, что материя действительно состоит из атомов и молекул.
Если броуновская частица имеет форму эллипсоида, она будет выглядеть больше с одних направлений, нежели с других. Таким образом, среднее количество воздействующих на нее молекул будет отличаться по разным направлениям. Тем не менее, из-за симметричной формы эти различия выравниваются. Недавние исследования показали, что конечный результат в этом случае совпадает с результатом движения сферы: усреднение множества испытаний не выявило чистого перемещения в том или ином направлении.
Группа ученых из Kent State University (США) обнаружила, что для частиц, имеющих форму, сильнее отличающуюся от сферической, к примеру, похожих на бумеранг, выделенное направление действительно существует. Для доказательства этого факта ученые использовали полимерные бумеранги «лопастями» длиной около 2 мкм, соединенными под углом 90 градусов. Для формирования таких частиц использовалась методика фотолитографии. В своем эксперименте ученые отслеживали движение этих частиц, взвешенных в воде внутри ограниченного двумя прозрачными пластинами пространства (т.е. только в двух измерениях) с помощью видеомикроскопии.
Наблюдения показали, что в течение приблизительно одной минуты каждая из частиц продемонстрировала смещение преимущественно в том направлении, куда ориентированы ее «лопасти». На более длительных промежутках времени выделенное направление терялось, поскольку «бумеранги» поворачивались вокруг своей оси ударами молекул жидкости.
В общем случае расстояние, пройденное броуновской частицей, может быть определено двумя способами. К примеру, сферическая частица удаляется от первоначальной точки, в соответствии с законом Эйнштейна (пропорционально квадратному корню времени). Если повторять эксперимент многократно, используя за точку отсчета одно и то же положение в пространстве, среднее смещение сферической частицы будет равно нулю. Среднее смещение эллипсоида также остается нулевым. А вот если проводить эксперименты с частицей в форме бумеранга (каждый раз ориентируя его в одном и том же направлении), среднее смещение будет показывать выделенное направление. Причем, если на первых порах эксперимента расстояние будет возрастать, то через несколько минут, по мере того, как бумеранг будет поворачиваться, частица отклониться от этой траектории. На этом этапе она начинает вести себя, как эллипсоид.
Тот факт, что ученым удалось разработать форму частицы, позволяющую сделать одно направление перемещений более вероятным, открывает широкий диапазон возможных применений. К примеру, направленное движение в сочетании с магнитным полем может обеспечить доставки лекарственных препаратов к пораженным клеткам организма. Кроме того, эффект может использоваться для материалов, которые строятся по принципу самосборки.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Также по теме:
- Американским учёным удалось сконструировать уникальные частицы на основе липосом и гидрогеля
- Как обуздать диффузию в плотных жидкостях?
- Асимметричные паттерны могут образовываться из-за симметричных сил
- Изобретено устройство, сортирующее частицы по величине энтропии
- Можно ли наблюдать воочию гибрид квантового колебания и электрона?
Источники: