L'agitazione può consentire la dispersione uniforme delle sostanze nel liquido. Il paradosso delle foglie di tè di Einstein è un concetto che mostra come le foglie di tè possono concentrarsi a forma di ciambella attraverso un effetto di flusso secondario durante l'agitazione. In un nuovo studio pubblicato su Science Advances , Zehui Zhang e colleghi di fisica e ingegneria in Cina, hanno dimostrato il paradosso della foglia di tè di Einstein (abbreviato come ETLP) indotto dalla concentrazione nei nanofluidi.
Hanno raggiunto questo obiettivo simulando la traiettoria delle nanoparticelle sotto agitazione per ottenere un'analisi in scala di grigi dei nanofluidi durante processi di agitazione e di riposo. Il team ha applicato la concentrazione localizzata per ottenere un’aggregazione ultraveloce di nanoparticelle d’oro per formare aerogel d’oro. Hanno regolato gli aerogel d'oro da circa 10 a 200 nm e hanno sviluppato un costituente di purezza e cristallinità estremamente elevate per rivelare potenziali applicazioni nella fotocatalisi e nello scattering Raman potenziato dalla superficie.
Nel 1926, Albert Einstein descrisse una semplice osservazione sperimentale mentre mescolava il tè, in cui le foglie seguivano una traiettoria a spirale verso il centro della tazza. Di conseguenza, la raccolta delle foglie di tè sotto agitazione dovuta al flusso secondario è utile per raccogliere particelle su scala microscopica nei sistemi di dispersione. Poiché le nanoparticelle con migliore stabilità di solito si muovono insieme al fluido a causa del movimento browniano, durante il paradosso della foglia di tè di Einstein, il paradosso della velocità del flusso induceva flussi laminari, guidando la concentrazione localizzata o l'aggregazione di nanoparticelle colloidali all'interno del flusso sottile.
Gli scienziati dei materiali si sono concentrati sugli aerogel metallici come l'oro, nelle applicazioni di catalisi, assorbimento e biocompatibilità dei dispositivi, nonché nell'elettrochimica. Tipicamente, è possibile utilizzare tre percorsi principali per preparare aerogel metallici. In questo lavoro, Zhang e colleghi hanno mostrato l’aggregazione localizzata di nanoparticelle d’oro e la regolazione delle microstrutture degli aerogel d’oro. L'aggregazione localizzata di particelle metalliche indotta dal paradosso della foglia di tè di Einstein apre la strada ad altri tipi di gel o alla produzione di aerogel.
Dimostrazione del protocollo nel nanocampo
Gli scienziati hanno studiato la relazione tra la distribuzione delle nanoparticelle e la velocità del flusso nei nanofluidi utilizzando il software COMSOL Multiphysics per ricreare il movimento delle nanoparticelle nel flusso laminare sotto agitazione. Hanno monitorato la traiettoria delle nanoparticelle dopo aver agitato per 500 secondi, dove le nanoparticelle al centro si muovevano più velocemente con una traiettoria più lunga. L'elevata frequenza di movimento e l'ampiezza delle nanoparticelle nelle regioni ad alta velocità hanno promosso l'incontro delle nanoparticelle per renderle più concentrate o reticolate.
Sulla base dei risultati, Zhang e il team hanno ipotizzato che il movimento delle nanoparticelle nei nanofluidi avrebbe seguito la legge ETLP (paradosso delle foglie di tè di Einstein). Per dimostrare la legge ETLP su scala nanometrica, il team ha disperso le nanoparticelle sferiche di biossido di silicio da 50 nm in acqua deionizzata come nanofluido. Le nanoparticelle hanno mostrato ETLP macroscopico con effetti di concentrazione localizzati nei nanofluidi.
Sviluppo di aerogel gassosi
Il gruppo di ricerca ha preparato un gel d'oro aggregato localmente riducendo i cluster di ioni d'oro attraverso il processo del paradosso della foglia di tè di Einstein. Hanno formato acido cloroaurico (HAuCl4 ) soluzione con i cluster d'oro ed essiccato i componenti a temperatura ambiente o sotto una fonte di luce riscaldante per osservazioni al microscopio elettronico a trasmissione.
Sotto un leggero riscaldamento, le particelle si sono riunite in grappoli, che il team ha ulteriormente osservato con misurazioni e analisi. Questi includevano la conduttività e il valore del pH della soluzione d'oro misurati durante i processi di riscaldamento e raffreddamento. Regolando la temperatura della soluzione precursore, i ricercatori hanno preparato tre campioni di aerogel d'oro mescolando entro 20 minuti. Tuttavia, senza agitazione, non si è verificata alcuna evidente formazione di gel nella soluzione d'oro, anche dopo 24 ore e a 80°C.
Zhang e colleghi hanno analizzato la microstruttura dello scheletro degli aerogel utilizzando la diffusione dei raggi X a piccolo angolo, la microscopia elettronica a scansione e la microscopia elettronica a trasmissione. La dimensione delle particelle d'oro nell'aerogel era notevolmente diversa.
Utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X, gli scienziati hanno rilevato la composizione elementare di tre campioni. A parte il carbonio proveniente da una fonte di contaminazione, hanno osservato solo l’oro nella composizione degli aerogel. Il processo di preparazione ha avuto un notevole risparmio di tempo, formando aerogel d'oro con un'ampia gamma di dimensioni della microstruttura ed elevata purezza.
Prospettive
In questo modo, Zehui Zhang e il team hanno confermato che il paradosso della foglia di verde acqua di Einstein (ETLP) è applicabile ai nanofluidi con un effetto di aggregazione inaspettatamente localizzato per formare aerogel d'oro semplicemente mescolando.
Gli scienziati hanno costruito cluster di ioni d'oro di diverse dimensioni regolando la temperatura dell'acido cloroaurico. Hanno completato gli esperimenti con gli effetti di aggregazione guidati dall'ETLP e l'essiccazione del biossido di carbonio per sviluppare aerogel con diverse dimensioni dello scheletro, con la capacità di preparare in modo simile i futuri aerogel.
Ulteriori informazioni: Zehui Zhang et al, il paradosso della foglia di tè di Einstein ha indotto l'aggregazione localizzata di nanoparticelle e la loro conversione in aerogel d'oro, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi9108
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