Omrörning kan tillåta spridning av ämnen jämnt i vätska. Einsteins tebladsparadox är ett koncept som visar hur teblad kan koncentreras i en munkform genom en sekundär flödeseffekt under omrörning. I en ny studie publicerad i Science Advances , Zehui Zhang och kollegor inom fysik och ingenjörskonst i Kina, visade Einsteins tebladsparadox (förkortat ETLP) inducerad koncentration i nanovätskor.
De åstadkom detta genom att simulera nanopartikelbanan under omrörning för att erhålla en gråskaleanalys av nanovätskor under omrörning och stående processer. Teamet tillämpade den lokala koncentrationen för att uppnå ultrasnabb aggregering av guldnanopartiklar för att bilda guldaerogeler. De justerade guldaerogelerna från cirka 10 till 200 nm och utvecklade en beståndsdel med extremt hög renhet och kristallinitet för att avslöja potentiella tillämpningar inom fotokatalys och ytförstärkt Raman-spridning.
1926 beskrev Albert Einstein en enkel experimentell observation under omrörning av te, där löven följde en spiralbana mot koppens mitt. Följaktligen är ansamling av teblad under omrörning på grund av det sekundära flödet användbar för att samla mikroskaliga partiklar i dispersionssystem. Eftersom nanopartiklar med bättre stabilitet vanligtvis rör sig tillsammans med vätskan på grund av Brownsk rörelse, under Einsteins tebladsparadox, inducerade flödeshastighetsparadoxen laminära flöden, vilket driver den lokala koncentrationen eller aggregationen av kolloidala nanopartiklar inuti det tunna flödet.
Materialforskare har fokuserat på metallaerogeler som guld, i tillämpningar för katalys, absorption och biokompatibilitet för enheter, såväl som inom elektrokemi. Typiskt kan tre huvudvägar användas för att framställa metallaerogeler. I detta arbete visade Zhang och kollegor den lokaliserade aggregationen av guldnanopartiklar och regleringen av mikrostrukturerna hos guldaerogeler. Einsteins tebladsparadox-inducerad lokal aggregation av metallpartiklar banar väg för andra typer av geler eller aerogelproduktion.
Demonstrerar protokollet i nanofältet
Forskarna studerade förhållandet mellan nanopartikelfördelning och flödeshastighet i nanovätskor genom att använda COMSOL Multiphysics programvara för att återskapa nanopartiklars rörelse i laminärt flöde under omrörning. De övervakade nanopartikelbanan efter omrörning i 500 sekunder, där nanopartiklarna i mitten rörde sig snabbare med en längre bana. Den höga rörelsefrekvensen och amplituden hos nanopartiklarna i höghastighetsområdena främjade mötet av nanopartiklar för att göra dem mer koncentrerade eller tvärbundna.
Baserat på resultaten antog Zhang och teamet att rörelsen av nanopartiklar i nanofluider skulle följa ETLP-lagen (Einsteins tebladsparadox). För att demonstrera ETLP-lagen på nanoskala spred teamet de 50 nm sfäriska nanopartiklarna av kiseldioxid i avjoniserat vatten som en nanovätska. Nanopartiklarna uppvisade makroskopisk ETLP med lokaliserade koncentrationseffekter i nanovätskor.
Utvecklar gasformiga aerogeler
Forskargruppen förberedde en lokalt aggregerad guldgel genom att reducera guldjonkluster genom Einsteins tebladsparadoxprocess. De bildade klorourinsyra (HAuCl4 ) lösning med guldklustren och torkade beståndsdelarna vid rumstemperatur eller under en värmekälla av ljus för observationer med transmissionselektronmikroskopi.
Under lätt uppvärmning samlades partiklarna till kluster, som teamet ytterligare observerade med mätningar och analys. Dessa inkluderade ledningsförmåga och pH-värde för guldlösningen mätt under uppvärmnings- och kylprocesserna. Genom att reglera temperaturen på prekursorlösningen förberedde forskarna tre guldaerogelprover genom omrörning inom 20 minuter. Men utan omrörning fanns det ingen uppenbar gelbildning i guldlösning, inte ens efter 24 timmar och vid 80°C.
Zhang och kollegor analyserade aerogelernas skelettmikrostruktur genom att använda röntgenspridning med liten vinkel, svepelektronmikroskopi och transmissionselektronmikroskopi. Storleken på guldpartiklarna i aerogelen var märkbart olika.
Med hjälp av röntgenfotoelektronspektroskopi upptäckte forskarna den elementära sammansättningen av tre prover. Bortsett från kol från en föroreningskälla, observerade de bara guld i aerogelernas sammansättning. Beredningsprocessen hade en betydande tidsbevarande kvalitet och bildade guldaerogeler med ett stort antal mikrostrukturstorlekar och hög renhet.
Outlook
På detta sätt bekräftade Zehui Zhang och teamet att Einsteins krickbladsparadox (ETLP) är tillämplig på nanofluider med en oväntat lokaliserad aggregationseffekt för att bilda guldaerogeler genom att helt enkelt röra om.
Forskarna konstruerade guldjonkluster av olika storlekar genom att reglera temperaturen på klorourinsyra. De slutförde experimenten med ETLP-drivna aggregationseffekter och koldioxidtorkning för att utveckla aerogeler med varierande skelettstorlekar, med kapacitet för framtida aerogeler att framställas på liknande sätt.
Mer information: Zehui Zhang et al, Einsteins tebladsparadox inducerade lokal aggregation av nanopartiklar och deras omvandling till guldaerogeler, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi9108
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
© 2023 Science X Network
