Door te roeren kunnen stoffen gelijkmatig in de vloeistof worden verspreid. De theebladparadox van Einstein is een concept dat laat zien hoe theebladeren zich tijdens het roeren in een donutvorm kunnen concentreren door een secundair stromingseffect. Uit een nieuwe studie gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgangDemonstreerden Zehui Zhang en collega’s in de natuurkunde en techniek in China Einsteins theebladparadox (afgekort als ETLP) geïnduceerde concentratie in nanovloeistoffen.
Ze bereikten dit door het traject van nanodeeltjes onder roeren te simuleren om een grijsschaalanalyse van nanovloeistoffen onder roer- en staande processen te verkrijgen. Het team paste de gelokaliseerde concentratie toe om ultrasnelle aggregatie van gouden nanodeeltjes te bereiken om gouden aerogels te vormen. Ze pasten de gouden aerogels aan van ongeveer 10 tot 200 nm en ontwikkelden een bestanddeel met een extreem hoge zuiverheid en kristalliniteit om potentiële toepassingen in fotokatalyse en oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing.
Einsteins theebladparadox
In 1926 beschreef Albert Einstein een eenvoudige experimentele waarneming tijdens het roeren van thee, waarbij de bladeren een spiraalvormig traject volgden naar het midden van het kopje. Dienovereenkomstig is het verzamelen van theebladeren onder roeren als gevolg van de secundaire stroom nuttig om te verzamelen microschaaldeeltjes in dispersiesystemen. Omdat nanodeeltjes met een betere stabiliteit gewoonlijk samen met de vloeistof bewegen als gevolg van de Brownse beweging, veroorzaakte de stroomsnelheidsparadox tijdens Einsteins theebladparadox laminaire stromingen, waardoor de gelokaliseerde concentratie of aggregatie van colloïdale nanodeeltjes werd aangestuurd. binnen de dunne stroom.
Materiaalwetenschappers hebben zich geconcentreerd op metalen aerogels zoals goud, in katalyse-, absorptie- en biocompatibiliteitstoepassingen van apparaten, evenals in elektrochemie. Meestal kunnen drie hoofdroutes worden gebruikt bereid metalen aerogels voor. In dit werk toonden Zhang en collega’s de gelokaliseerde aggregatie van gouden nanodeeltjes en de regulatie van de microstructuren van gouden aerogels. De door de theebladparadox veroorzaakte gelokaliseerde aggregatie van metaaldeeltjes door de Einstein-theeblad maakt de weg vrij voor andere soorten gels of aerogelproductie.
Het protocol demonstreren in het nanoveld
De wetenschappers bestudeerden de relatie tussen de verdeling van nanodeeltjes en de stroomsnelheid in nanovloeistoffen met behulp van COMSOL Multiphysics-software om de beweging van nanodeeltjes in laminaire stroming onder roeren na te bootsen. Ze volgden het traject van de nanodeeltjes na 500 seconden roeren, waarbij de nanodeeltjes in het midden sneller bewogen met een langer traject. De hoge bewegingsfrequentie en amplitude van de nanodeeltjes in de hogesnelheidsgebieden bevorderden de ontmoetingen van nanodeeltjes om ze meer geconcentreerd of verknoopt te maken.
Op basis van de uitkomsten gingen Zhang en zijn team ervan uit dat de beweging van nanodeeltjes in nanovloeistoffen de ETLP-wet (Einstein’s theebladparadox) zou volgen. Om de ETLP-wet op nanoschaal aan te tonen, verspreidde het team de 50 nm bolvormige siliciumdioxide-nanodeeltjes in gedeïoniseerd water als een nanovloeistof. De nanodeeltjes vertoonden macroscopisch ETLP met gelokaliseerde concentratie-effecten in nanovloeistoffen.
Gasvormige aerogels ontwikkelen
Het onderzoeksteam bereidde een lokaal geaggregeerde goudgel voor door goudionclusters te verminderen via Einsteins theebladparadoxproces. Zij vormden zich chloorgoudzuur (HAuCl4) oplossing met de goudclusters en droog de bestanddelen bij kamertemperatuur of onder een verwarmingsbron van licht transmissie-elektronenmicroscopie observaties.
Onder lichte verwarming verzamelden de deeltjes zich in clusters, die het team verder observeerde met metingen en analyses. Deze omvatten de geleidbaarheid en de pH-waarde van de goudoplossing gemeten tijdens de verwarmings- en koelprocessen. Door de temperatuur van de precursoroplossing te reguleren, bereidden de onderzoekers binnen 20 minuten drie gouden aerogelmonsters door te roeren. Zonder roeren was er echter geen duidelijke gelvorming in de goudoplossing, zelfs niet na 24 uur en bij 80°C.
Karakterisering en toepassingen van gouden nanodeeltjes
Zhang en collega’s analyseerden de skeletmicrostructuur van de aerogels met behulp van kleine hoek röntgenverstrooiing, scanning-elektronenmicroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie. De grootte van de gouddeeltjes in de aerogel was opmerkelijk verschillend.
Gebruik makend van röntgen foto-elektrische pectroscopieontdekten de wetenschappers de elementaire samenstelling van drie monsters. Afgezien van koolstof uit een bron van verontreiniging, zagen ze alleen goud in de samenstelling van de aerogels. Het bereidingsproces had een aanzienlijke tijdbesparende kwaliteit en vormde gouden aerogels met een groot aantal microstructuurgroottes en een hoge zuiverheid.
Vooruitzichten
Op deze manier bevestigden Zehui Zhang en zijn team dat de Teal Leaf-paradox (ETLP) van Einstein toepasbaar is op nanovloeistoffen met een onverwacht gelokaliseerd aggregatie-effect om gouden aerogels te vormen door simpelweg te roeren.
De wetenschappers construeerden goudionenclusters van verschillende groottes door de temperatuur van chloorgoudzuur te reguleren. Ze voltooiden de experimenten met door ETLP aangestuurde aggregatie-effecten en het drogen van kooldioxide om aerogels met verschillende skeletgroottes te ontwikkelen, met de capaciteit om toekomstige aerogels op dezelfde manier te bereiden.
Meer informatie:
Zehui Zhang et al., Einsteins theebladparadox induceerde gelokaliseerde aggregatie van nanodeeltjes en hun omzetting in gouden aerogels, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi9108
Tijdschriftinformatie:
Wetenschappelijke vooruitgang