Отримано експериментальні свідчення того, що броунівський рух (БД) частки у в’язкому середовищі стає процесом з «пам’яттю»

Співробітники Університету Ерлангена — Нюрнберга (Німеччина) і Федеральної політехнічної школи Лозанни (Швейцарія) представили експериментальні свідчення того, що броунівський рух (БД) частки у в’язкому середовищі стає процесом з «пам’яттю».

Броунівським, нагадаємо, називають безладний рух невеликих частинок, на які впливають молекули навколишнього середовища — рідини або газу. Причиною БД стають флуктуації тиску: оточують молекули здійснюють тепловий рух і наносять частці нескомпенсовані удари, змушуючи її швидкість швидко змінюватися за величиною і напрямком. Класичну теорію цього процесу сформулювали Альберт Ейнштейн і польский фізик Маріан Смолуховский, показали, що середнє значення квадрата зміщення броунівської частинки прямо пропорційно часу і температури і обернено пропорційна в’язкості середовища, розміру частки і постійної Авогадро.

Одним з очевидних способів перевірки формули був би розрахунок постійної Авогадро за результатами спостережень за переміщеннями частинки. Саме це на початку ХХ століття і зробив лауреат Нобелівської премії Жан Батист Перрен, довів, що теорія Ейнштейна — Смолуховського працює.

В подальшому було встановлено, що традиційна теорія дає задовільні результати в більшості практично важливих випадків, але все ж є наближеною, оскільки теплова сила, що діє на частинку, в ній вважається стохастичної і характеризується білим шумовим спектром. Коли щільності середовища і частки зближуються, ця умова не виконується, так як БД останньою і зміщення захоплюється нею частинок середовища починають помітно впливати одне на одного; аналогічний ефект можна спостерігати на прикладі плавця, який, різко зупинившись, відчуває, як рухома рідина підштовхує його вперед. У процесу БД, як кажуть, з’являється гідродинамічна «пам’ять», а теплова сила характеризується вже не білим, а пофарбованим шумовим спектром.

Мікроскопічна сфера, захоплена оптичним пінцетом і бомбардируемая молекулами (ілюстрація Alain Doyon and Sylvia Jeney).

Незважаючи на те, що поправки, пов’язані з «пам’яттю», давно прораховані теоретично, виміряти спектр теплового шуму і оцінити його відмінність від білого нікому поки не вдавалося. Автори вирішили цю задачу, розглядаючи зміщення сфери з меламіну діаметром в 1 або 1,5 мкм, утримуваної оптичним пінцетом — пучком випромінювання лазера на алюмоиттриевом гранаті, легованому неодимом, — в розчині ацетону. Показники заломлення меламіну і ацетону (1,68 і 1,36) помітно різняться, що збільшило ефективність захоплення частинки і дозволило спостерігати за її рухом в оптичний мікроскоп.

Описана установка в цілому схожа на комерційні системи, використовувані биофизиками для вивчення структури та принципу роботи білків, але її конструкція була оптимізована з метою збільшення часового і просторового дозволу. Витративши декілька років на доопрацювання обладнання, німецько-швейцарська група виконала всі необхідні вимірювання і показала, як гідродинамічна «пам’ять» проявляється в броунівському русі.

Повна версія звіту опублікована в журналі Nature; препринт статті можна завантажити з сайту arXiv.

Підготовлено за матеріалами Physicsworld.Com.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *