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. In een nieuwe studie gepubliceerd in Science Advances Demonstreerden Zehui Zhang en collega's in natuurkunde en techniek in China de door Einsteins theebladeren veroorzaakte concentratie in nanovloeistoffen (afgekort als ETLP).

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 extreem hoge zuiverheid en kristalliniteit om potentiële toepassingen in fotokatalyse en oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing te onthullen.

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 microschaaldeeltjes in dispersiesystemen te verzamelen. Omdat nanodeeltjes met een betere stabiliteit gewoonlijk samen met de vloeistof bewegen als gevolg van de Brownse beweging, veroorzaakte de stroomsnelheidsparadox tijdens de theebladparadox van Einstein laminaire stromingen, waardoor de gelokaliseerde concentratie of aggregatie van colloïdale nanodeeltjes in de dunne stroom werd aangestuurd.

Materiaalwetenschappers hebben zich geconcentreerd op metalen aerogels zoals goud, in katalyse-, absorptie- en biocompatibiliteitstoepassingen van apparaten, evenals in elektrochemie. Typisch kunnen drie hoofdroutes worden gebruikt om metalen aerogels te bereiden. 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-theebladeren maakt de weg vrij voor andere soorten gels of aerogelproductie.

Demonstratie van het protocol in het nanoveld

De wetenschappers bestudeerden de relatie tussen de distributie van nanodeeltjes en de stroomsnelheid in nanovloeistoffen door COMSOL Multiphysics-software te gebruiken 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.

Het ontwikkelen van gasvormige aerogels

Het onderzoeksteam bereidde een lokaal geaggregeerde goudgel voor door goudionclusters te verminderen via Einsteins theebladparadoxproces. Ze vormden chloorgoudzuur (HAuCl₄ ) oplossing met de goudclusters en droogde de bestanddelen bij kamertemperatuur of onder een verwarmingslichtbron voor waarnemingen met transmissie-elektronenmicroscopie.

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 röntgenverstrooiing onder kleine hoeken, scanning-elektronenmicroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie. De grootte van de gouddeeltjes in de aerogel was opmerkelijk verschillend.

Met behulp van röntgenfoto-elektronenspectroscopie ontdekten 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 veroorzaakte gelokaliseerde aggregatie van nanodeeltjes en hun omzetting in gouden aerogels, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi9108

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

© 2023 Science X Netwerk