Фізики перевірили закони дифузії за допомогою маринованих яєць

Американські фізики описали дешевий і точний експеримент з кількісного вимірювання законів дифузії за допомогою проникнення харчового барвника у зварені вкруту яйця. Для цього вони маринували зварені і очищені яйця різну кількість часу, після чого розрізали їх і фотографували пофарбований шар. Дослідження опубліковано в.

Складна фізика не завжди вимагає дорогого обладнання, щоб її вивчати. Цей факт відкриває доступ до фізичних явищ для учнів шкіл та університетів, які не можуть собі дозволити дороге оснащення своїх лабораторій. З цієї причини безліч фізиків зайняті пошуком дешевих і простих експериментів, за допомогою яких, однак, можна вивчати досить складні феномени. Ми вже розповідали як пружина, консервна банка і смартфон допомагають вивчати акустичну дисперсію, а вафлі з карамеллю в шоколадній глазурі - композитні матеріали.

Складніше йде справа з дифузією, тобто процесом, за допомогою якого речовина переноситься з області з високою концентрацією в область з низькою концентрацією в результаті хаотичного броунівського руху. Проста демонстрація дифузії полягає в тому, щоб випустити пахучу речовину в повітря або краплю барвника в стоячу воду, а потім виміряти відстань, пройдену запахом або барвником з плином часу за допомогою носа або очей учнів. У такому досвіді можна виміряти коефіцієнт дифузії, якщо побудувати залежність цієї відстані від часу і провести підгонку теоретичної кривої. Головною перешкодою на цьому шляху стала низька точність вимірювання через флуктууючий характер концентрації і неприбірного виміру, а також складність обліку температури

Сан-Чжин Ре (Sangjin Ryu) з колегами з Університету Небраски в Лінкольні запропонували оригінальний спосіб для вирішення цієї проблеми, використавши для цього курячі яйця, що маринуються, зварені вкруту. У їх досвіді білок виступав в якості середовища, в яке дифундирували молекули харчового барвника, що надходить з маринада. Головною особливістю експерименту стала можливість фіксації результатів дифузії за допомогою розрізу яйця і вимірювання глибини проникнення з більшою точністю.

Для початку фізики приготували розчин, змішавши 25 мілілітрів червоного харчового барвника марки Tone's з 1,25 літрами води. У контейнер з розчином вони поміщали 12-15 зварених і очищених яєць, закривали його пластиковою плівкою і фольгою і тримали при трьох різних температурах: 4 градуси (холодильник), 21 градус (кімнатна температура) і 60 (піч). Дослідники діставали яйця через певні проміжки часу, акуратно розрізали їх уздовж і фотографували за допомогою цифрової камери.

Кожне зображення піддавалося цифровій обробці за допомогою пакета MATLAB. Обробка включала в себе переклад зображення в градації сірого і порогову фільтрацію з параметром 0,3 для отримання різкої межі дифузії, а також додаткової фільтрації різних дефектів в яйці. Фізики визначали мінімальну відстань між кожною точкою отриманої межі і межею яйця, усереднювали її і будували графік залежності цієї відстані від часу.

Ця залежність була пропорційна квадратному корені від часу, що узгоджується з другим законом Фіка, застосованим до дифузії барвника в напівбескінечний простір. Коефіцієнт пропорційності виявився рівним 0,41, 0,52 і 1,64 міліметрів, поділених на квадратний корінь з години, для 4, 21 і 60 градусів, відповідно. Оскільки він пропорційний квадратному корені з коефіцієнта дифузії, експеримент свідчить про зростання останнього зі зростанням температури.

Дифундирувати можуть не тільки молекули, а й світло. Нещодавно ми розповідали, як за допомогою цього механізму агрономи вимірюють красноту яблук, не розрізаючи їх.