Brug af Einsteins teblads paradoks til at studere nanovæsker

Omrøring kan tillade spredning af stoffer jævnt i væske. Einsteins tebladparadoks er et koncept, der viser, hvordan teblade kan koncentreres i en donutform gennem en sekundær flow-effekt under omrøring. I en ny undersøgelse offentliggjort i Science Advances , Zehui Zhang og kolleger i fysik og ingeniørvidenskab i Kina, demonstrerede Einsteins tebladsparadoks (forkortet ETLP) induceret koncentration i nanovæsker.

De opnåede dette ved at simulere nanopartikelbanen under omrøring for at opnå en gråskalaanalyse af nanovæsker under omrøring og stående processer. Holdet anvendte den lokaliserede koncentration for at opnå ultrahurtig aggregering af guldnanopartikler til dannelse af guldaerogeler. De justerede guldaerogelerne fra omkring 10 til 200 nm og udviklede en bestanddel med ekstrem høj renhed og krystallinitet for at afsløre potentielle anvendelser inden for fotokatalyse og overfladeforstærket Raman-spredning.

Einsteins tebladparadoks

I 1926 beskrev Albert Einstein en simpel eksperimentel observation under omrøring af te, hvor bladene fulgte en spiralbane mod midten af ​​koppen. Følgelig er samlingen af ​​teblade under omrøring på grund af den sekundære strøm nyttig til at opsamle mikroskala-partikler i dispersionssystemer. Da nanopartikler med bedre stabilitet sædvanligvis bevæger sig sammen med væsken på grund af Brownsk bevægelse, under Einsteins tebladsparadoks, inducerede strømningshastighedsparadokset laminære strømme, hvilket driver den lokaliserede koncentration eller aggregering af kolloide nanopartikler inde i den tynde strøm.

Materialeforskere har fokuseret på metalaerogeler såsom guld, i katalyse-, absorptions- og enhedsbiokompatibilitetsapplikationer såvel som i elektrokemi. Typisk kan tre hovedveje bruges til at fremstille metalaerogeler. I dette arbejde viste Zhang og kolleger den lokaliserede aggregering af guldnanopartikler og reguleringen af ​​guldaerogels mikrostrukturer. Einsteins teblads paradoks-inducerede lokaliserede aggregering af metalpartikler baner vejen for andre typer geler eller aerogelproduktion.

Demonstrering af protokollen i nanofeltet

Forskerne undersøgte forholdet mellem nanopartikelfordeling og strømningshastighed i nanovæsker ved at bruge COMSOL Multiphysics-software til at genskabe bevægelsen af ​​nanopartikler i laminær strømning under omrøring. De overvågede nanopartikelbanen efter omrøring i 500 sekunder, hvor nanopartiklerne i midten bevægede sig hurtigere med en længere bane. Den høje bevægelsesfrekvens og amplitude af nanopartiklerne i højhastighedsområderne fremmede mødet med nanopartikler for at gøre dem mere koncentrerede eller tværbundne.

Baseret på resultaterne antog Zhang og teamet, at bevægelsen af ​​nanopartikler i nanovæsker ville følge ETLP-loven (Einsteins tebladsparadoks). For at demonstrere ETLP-loven på nanoskala spredte holdet de 50 nm sfæriske siliciumdioxidnanopartikler i deioniseret vand som en nanofluid. Nanopartiklerne udviste makroskopisk ETLP med lokaliserede koncentrationseffekter i nanovæsker.

Udvikling af gasformige aerogeler

Forskerholdet forberedte en lokalt aggregeret guldgel ved at reducere guldionklynger gennem Einsteins teblads paradoksproces. De dannede chlorauric acid (HAuCl₄). ) opløsning med guldklyngerne og tørrede bestanddelene ved stuetemperatur eller under en varmekilde af lys til transmissionselektronmikroskopiobservationer.

Under let opvarmning samledes partiklerne i klynger, som holdet yderligere observerede med målinger og analyser. Disse omfattede ledningsevne og pH-værdi af guldopløsningen målt under opvarmnings- og afkølingsprocesserne. Ved at regulere temperaturen på precursoropløsningen forberedte forskerne tre guldaerogelprøver gennem omrøring inden for 20 minutter. Men uden omrøring var der ingen tydelig geldannelse i guldopløsning, selv efter 24 timer og ved 80°C.

Karakterisering og anvendelser af guldnanopartikler

Zhang og kolleger analyserede skeletmikrostrukturen af ​​aerogelerne ved at bruge røntgenspredning med små vinkler, scanningselektronmikroskopi og transmissionselektronmikroskopi. Størrelsen af ​​guldpartikler i aerogelen var markant anderledes.

Ved hjælp af røntgenfotoelektronspektroskopi opdagede forskerne grundstofsammensætningen af ​​tre prøver. Bortset fra kulstof fra en kilde til forurening, observerede de kun guld i sammensætningen af ​​aerogelerne. Forberedelsesprocessen havde en betydelig tidsbesparende kvalitet og dannede guldaerogeler med et stort udvalg af mikrostrukturstørrelser og høj renhed.

Outlook

På denne måde bekræftede Zehui Zhang og teamet, at Einsteins krikbladeparadoks (ETLP) kan anvendes på nanovæsker med en uventet lokaliseret aggregeringseffekt for at danne guldaerogeler ved blot at røre.

Forskerne konstruerede guldionklynger af forskellige størrelser ved at regulere temperaturen på chlorauric acid. De afsluttede eksperimenterne med ETLP-drevne aggregeringseffekter og kuldioxidtørring for at udvikle aerogeler med varierende skeletstørrelser, med kapacitet til at fremtidige aerogeler kan fremstilles på samme måde.

Flere oplysninger: Zehui Zhang et al., Einsteins tebladsparadoks inducerede lokaliseret aggregering af nanopartikler og deres omdannelse til guldaerogeler, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi9108

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

© 2023 Science X Network