![Simulatieresultaten van het volgen van NP's met een grootte van 100 nm onder laminair effect. (A) Stroomsnelheidsdiagrammen van xy-vlakken (verticaal zicht, de positieve richting van de z-as naar buiten gericht) onder roeren: z = −0,03 m; z = 0 m en z = 0,03 m. (B) Trajectdiagrammen van NP's (verticaal zicht, de positieve richting van de z-as naar buiten gericht) in 500 s. (C) Aandeel van de NP (z > 0)-verdeling in elke regio. (D) Aandeel van NP (z <0) distributie in elke regio. Krediet: wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi9108 Onderzoek naar de theebladparadox van Einstein om nanovloeistoffen te bestuderen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2023/investigating-the-eins.jpg)
Simulatieresultaten van het volgen van NP’s met een grootte van 100 nm onder laminair effect. (A) Stroomsnelheidsdiagrammen van xy-vlakken (verticaal zicht, de positieve richting van de z-as naar buiten gericht) onder roeren: z = −0,03 m; z = 0 m en z = 0,03 m. (B) Trajectdiagrammen van NP’s (verticaal zicht, de positieve richting van de z-as naar buiten gericht) in 500 s. (C) Aandeel van de NP (z > 0)-verdeling in elke regio. (D) Aandeel van NP (z <0) distributie in elke regio. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi9108
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.
![Hypothetisch model en experimentele demonstratie van ETLP. (A) Schematisch diagram van NP-distributie onder ETLP-effect. De rechterkant zijn de veronderstelde doorsneden van laminaire stromingen en de verdeling van NP's in de linkerhelft van een bekerglas. (B) De grijswaardencurve (verticaal aanzicht), foto in vooraanzicht en foto in verticaal aanzicht van SiO2-dispersie tijdens roeren. (C) De foto's (links) en de bijbehorende grijsschaal (rechts) van de SiO2-dispersie vanuit het vooraanzicht. Elke 3 seconden werden continu vijf foto's gemaakt, waarbij het roeren aan het begin werd gestart en na de achtste seconde werd gestopt. Krediet: wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi9108 Onderzoek naar de theebladparadox van Einstein om nanovloeistoffen te bestuderen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2023/investigating-the-eins-1.jpg)
Hypothetisch model en experimentele demonstratie van ETLP. (A) Schematisch diagram van NP-distributie onder ETLP-effect. De rechterkant zijn de veronderstelde doorsneden van laminaire stromingen en de verdeling van NP’s in de linkerhelft van een bekerglas. (B) De grijswaardencurve (verticale weergave), vooraanzichtfoto en verticale foto van SiO2 dispersie onder roeren. (C) De foto’s (links) en de bijbehorende grijsschaal (rechts) van de SiO2 verspreiding vanaf het vooraanzicht. Elke 3 seconden werden continu vijf foto’s gemaakt, waarbij het roeren aan het begin werd gestart en na de achtste seconde werd gestopt. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi9108
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.
![Assembleer-demonteerproces in HAuCl4-oplossing. (A) De kleurverandering van de HAuCl4-oplossing bij verhitting en afkoeling: HAuCl4-oplossing verwarmd tot respectievelijk 30°, 50° en 80°C gedurende 1 uur, en vervolgens afgekoeld tot 10°C. (B) Verondersteld mechanisme van de constructie van Au-ionenclusters: [AuCl4]− kan worden gedechloreerd en gecochloreerd om grote Au-ionclusters te vormen. (C) hν-αhν-grafiek omgezet van Fig. S10A (UV-Vis van HAuCl4-oplossing werd vier keer continu gemeten van 80°C tot kamertemperatuur). (D) Ramanverschuiving van 2,5% HAuCl4-oplossing tijdens verwarmings- en koelprocessen. au, willekeurige eenheden. (E) FTIR-spectra van 10% HAuCl4-oplossing, driemaal continu gemeten van 80°C tot kamertemperatuur. (F) Het hele voorbereidingsproces. De combinatie van [AuCl4]− zou kunnen worden gebruikt om de skeletgrootte van GA’s te controleren. Krediet: wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi9108 Onderzoek naar de theebladparadox van Einstein om nanovloeistoffen te bestuderen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2023/investigating-the-eins-2.jpg)
Montage-demontageproces in HAuCl4 oplossing. (A) De kleurverandering van HAuCl4 oplossing bij verwarming en afkoeling: HAuCl4 oplossing verwarmd op respectievelijk 30°, 50° en 80°C gedurende 1 uur, en vervolgens afgekoeld tot 10°C. (B) Verondersteld mechanisme van de constructie van Au-ionenclusters: [AuCl4]− kan worden gedechloreerd en gecochloreerd om grote Au-ionclusters te vormen. (C) hν-αhν-grafiek omgezet van Fig. S10A (UV-Vis van HAuCl4 oplossing werd vier keer continu gemeten van 80°C tot kamertemperatuur). (D) Ramanverschuiving van 2,5% HAuCl4 oplossing tijdens verwarmings- en koelprocessen. au, willekeurige eenheden. (E) FTIR-spectra van 10% HAuCl4 oplossing driemaal continu gemeten van 80°C tot kamertemperatuur. (F) Het hele voorbereidingsproces. De combinatie van [AuCl4]− zou kunnen worden gebruikt om de skeletgrootte van GA’s te controleren. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi9108
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.
![Foto's en voorbereidingsproces van GA's. (A) Foto's van GA's. (B) ETLP-geïnduceerde aggregatie van GA3: gedispergeerde HAuCl4-oplossing, HAuCl4-oplossing na toevoeging van de terughoudendheid, bruine deeltjes neergeslagen in de sol, een kleine gel geaggregeerd uit bruine deeltjes, de gegroeide gel met grotere afmetingen, terwijl de kleur van de oplossing licht werd met name, en de verkregen Au-gel. Krediet: wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi9108 Onderzoek naar de theebladparadox van Einstein om nanovloeistoffen te bestuderen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2023/investigating-the-eins-3.jpg)
Foto’s en voorbereidingsproces van GA’s. (A) Foto’s van GA’s. (B) ETLP-geïnduceerde aggregatie van GA3: gedispergeerd HAuCl4 oplossing, HAuCl4 oplossing na het toevoegen van de terughoudendheid sloegen bruine deeltjes neer in de sol, een kleine gel aggregeerde uit bruine deeltjes, de gegroeide gel werd groter, terwijl de kleur van de oplossing opmerkelijk licht werd, en de Au-gel werd verkregen. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi9108
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