|
Парадокс чайного листа для изучения наножидкостей
|
|
|
|
Перемешивание может обеспечить равномерное диспергирование веществ в жидкости. Парадокс чайного листа Эйнштейна — это концепция, которая показывает, как чайные листья могут концентрироваться в форме пончика за счет эффекта вторичного потока во время перемешивания. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, Цзехуэй Чжан и его коллеги из области физики и техники в Китае продемонстрировали парадокс чайного листа Эйнштейна (сокращенно ETLP), вызывающий концентрацию в наножидкостях. Они достигли этого, смоделировав траекторию наночастиц при перемешивании, чтобы получить анализ наножидкостей в оттенках серого при процессах перемешивания и стояния. Команда применила локализованную концентрацию для достижения сверхбыстрой агрегации наночастиц золота с образованием золотых аэрогелей. Они отрегулировали размеры аэрогелей золота примерно от 10 до 200 нм и разработали компонент чрезвычайно высокой чистоты и кристалличности, который открывает потенциальные возможности применения в фотокатализе и поверхностно-усиленном комбинационном рассеянии.
|
|
|
|
В 1926 году Альберт Эйнштейн описал простое экспериментальное наблюдение при перемешивании чая, когда листья следовали по спиральной траектории к центру чашки. Соответственно, сбор чайных листьев при перемешивании за счет вторичного потока полезен для сбора микромасштабных частиц в дисперсионных системах. Поскольку наночастицы с большей стабильностью обычно движутся вместе с жидкостью из-за броуновского движения, во время парадокса чайного листа Эйнштейна парадокс скорости потока вызывал ламинарные потоки, вызывая локализованную концентрацию или агрегацию коллоидных наночастиц внутри тонкого потока. Ученые-материаловеды сосредоточили свое внимание на металлических аэрогелях, таких как золото, в приложениях катализа, абсорбции и биосовместимости устройств, а также в электрохимии. Обычно для приготовления металлических аэрогелей можно использовать три основных пути. В этой работе Чжан и его коллеги продемонстрировали локализованную агрегацию наночастиц золота и регуляцию микроструктуры золотых аэрогелей. Локализованная агрегация металлических частиц, вызванная парадоксом чайного листа Эйнштейна, открывает путь к другим типам гелей или производству аэрогелей.
|
|
|
Ученые изучили взаимосвязь между распределением наночастиц и скоростью потока в наножидкостях с помощью программного обеспечения COMSOL Multiphysicals, чтобы воссоздать движение наночастиц в ламинарном потоке при перемешивании. Они отслеживали траекторию наночастиц после перемешивания в течение 500 секунд, при этом наночастицы в середине двигались быстрее по более длинной траектории. Высокая частота и амплитуда движения наночастиц в областях высоких скоростей способствовали столкновению наночастиц, делая их более концентрированными или сшитыми. Основываясь на результатах, Чжан и его команда предположили, что движение наночастиц в наножидкостях будет подчиняться закону ETLP (парадокс чайного листа Эйнштейна). Чтобы продемонстрировать закон ETLP на наноуровне, команда диспергировала сферические наночастицы диоксида кремния размером 50 нм в деионизированной воде в виде наножидкости. Наночастицы демонстрировали макроскопический ETLP с эффектами локализованной концентрации в наножидкостях.
|
|
|
|
Исследовательская группа подготовила локально агрегированный золотой гель, восстановив кластеры ионов золота с помощью процесса парадокса чайного листа Эйнштейна. Они образовали раствор золотохлористоводородной кислоты (HAuCl4) с кластерами золота и высушили компоненты при комнатной температуре или под нагревательным источником света для наблюдений с помощью просвечивающей электронной микроскопии. При легком нагревании частицы собирались в кластеры, которые в дальнейшем команда наблюдала с помощью измерений и анализа. К ним относятся проводимость и значение pH раствора золота, измеренные в процессе нагревания и охлаждения. Регулируя температуру раствора-прекурсора, исследователи приготовили три образца золотого аэрогеля путем перемешивания в течение 20 минут. Однако без перемешивания в растворе золота не наблюдалось явного образования геля даже через 24 часа и при 80°C. Чжан и его коллеги проанализировали микроструктуру скелета аэрогелей с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. Размер частиц золота в аэрогеле заметно отличался.
|
|
|
|
С помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии ученые определили элементный состав трех образцов. Помимо углерода источника загрязнения, в составе аэрогелей они наблюдали только золото. Процесс приготовления существенно экономил время, образуя золотые аэрогели с широким диапазоном размеров микроструктуры и высокой чистотой. Таким образом, Цзехуэй Чжан и его команда подтвердили, что парадокс чирка Эйнштейна (ETLP) применим к наножидкостям с неожиданно локализованным эффектом агрегации, позволяющим образовывать золотые аэрогели при простом перемешивании. Ученые создали кластеры ионов золота разного размера, регулируя температуру золотохлористоводородной кислоты. Они завершили эксперименты с эффектами агрегации, вызванными ETLP, и сушкой углекислым газом, чтобы разработать аэрогели с различными размерами скелета, с возможностью приготовления будущих аэрогелей аналогичным образом.
|
|
|
|
Источник
|
