Физики проверили законы диффузии с помощью маринованных яиц

Американские физики описали дешевый и точный эксперимент по количественному измерению законов диффузии с помощью проникновения пищевого красителя в сваренные вкрутую яйца. Для этого они мариновали сваренные и очищенные яйца различное количество времени, после чего разрезали их и фотографировали окрашенный слой. Исследование опубликовано в American Journal of Physics.

Сложная физика не всегда требует дорогостоящего оборудования, чтобы ее изучать. Этот факт открывает доступ к физическим явлениям для учащихся школ и университетов, которые не могут себе позволить дорогое оснащение своих лабораторий. По этой причине множество физиков заняты поиском дешевых и простых экспериментов, с помощью которых, однако, можно изучать достаточно сложные феномены. Мы уже рассказывали как пружина, консервная банка и смартфон помогают изучать акустическую дисперсию, а вафли с карамелью в шоколадной глазури — композитные материалы.

Сложнее обстоит дело с диффузией, то есть процессом, с помощью которого вещество переносится из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией в результате хаотического броуновского движения. Простая демонстрация диффузии состоит в том, чтобы выпустить пахучее вещество в воздух или каплю красителя в стоячую воду, а затем измерить расстояние, пройденное запахом или красителем с течением времени с помощью носа или глаз учащихся. В таком опыте можно измерить коэффициент диффузии, если построить зависимость этого расстояния от времени и провести подгонку теоретической кривой. Главным препятствием на этом пути стала низкая точность измерения из-за флуктуирующего характера концентрации и неприборного измерения, а также сложность учета температуры

Сан-Чжин Ре (Sangjin Ryu) с коллегами из Университета Небраски в Линкольне предложили оригинальный способ для решения этой проблемы, использовав для этого маринующиеся куриные яйца, сваренные вкрутую. В их опыте белок выступал в качестве среды, в которую диффундировали молекулы пищевого красителя, поступающего из маринада. Главной особенностью эксперимента стала возможность фиксации результатов диффузии с помощью разреза яйца и измерения глубины проникновения с большей точностью.

Для начала физики приготовили раствор, смешав 25 миллилитров красного пищевого красителя марки Tone’s с 1,25 литрами воды. В контейнер с раствором они помещали 12-15 сваренных и очищенных яиц, закрывали его пластиковой пленкой и фольгой и держали при трех различных температурах: 4 градуса (холодильник), 21 градус (комнатная температура) и 60 (печь). Исследователи доставали яйца через определенные промежутки времени, аккуратно разрезали их вдоль и фотографировали с помощью цифровой камеры.

Каждое изображение подвергалось цифровой обработке с помощью пакета MATLAB. Обработка включала в себя перевод изображения в градации серого и пороговую фильтрацию с параметром 0,3 для получения резкой границы диффузии, а также дополнительной фильтрации различных дефектов в яйце. Физики определяли минимальное расстояние между каждой точкой получившейся границы и границей яйца, усредняли его и строили график зависимости этого расстояния от времени.

Эта зависимость была пропорциональная квадратному корню от времени, что согласуется со вторым законом Фика, примененным к диффузии красителя в полубесконечное пространство. Коэффициент пропорциональности оказался равен 0,41, 0,52 и 1,64 миллиметров, деленных на квадратный корень из часа, для 4, 21 и 60 градусов, соответственно. Поскольку он пропорционален квадратному корню из коэффициента диффузии, эксперимент свидетельствует о росте последнего с ростом температуры.

Диффундировать могут не только молекулы, но и свет. Недавно мы рассказывали, как с помощью этого механизма агрономы измеряют красноту яблок, не разрезая их.

Марат Хамадеев