Usando o paradoxo da folha de chá de Einstein para estudar nanofluidos
Resultados de simulação de rastreamento de NPs com tamanho de 100 nm sob efeito laminar. (A) Diagramas de velocidade de fluxo dos planos xy (vista vertical, a direção positiva do eixo z voltada para fora) sob agitação:z =−0,03 m; z =0 me z =0,03 m. (B) Diagramas de trajetória de NPs (vista vertical, direção positiva do eixo z voltada para fora) em 500 s. (C) Proporção da distribuição de NP (z> 0) em cada região. (D) Proporção da distribuição de NP (z <0) em cada região. Crédito:Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi9108 A agitação pode permitir a dispersão de substâncias uniformemente no líquido. O paradoxo das folhas de chá de Einstein é um conceito que mostra como as folhas de chá podem se concentrar em forma de donut através de um efeito de fluxo secundário durante a agitação. Em um novo estudo publicado na Science Advances , Zehui Zhang e colegas de física e engenharia na China, demonstraram que o paradoxo da folha de chá de Einstein (abreviado como ETLP) induziu a concentração em nanofluidos.
Eles conseguiram isso simulando a trajetória das nanopartículas sob agitação para obter uma análise em escala de cinza dos nanofluidos sob processos de agitação e repouso. A equipe aplicou a concentração localizada para obter agregação ultrarrápida de nanopartículas de ouro para formar aerogéis de ouro. Eles ajustaram os aerogéis de ouro de cerca de 10 a 200 nm e desenvolveram um constituinte de pureza e cristalinidade extremamente alta para revelar aplicações potenciais em fotocatálise e espalhamento Raman aprimorado pela superfície.
Paradoxo das folhas de chá de Einstein
Em 1926, Albert Einstein descreveu uma observação experimental simples enquanto mexia o chá, onde as folhas seguiam uma trajetória espiral em direção ao centro da xícara. Consequentemente, a recolha de folhas de chá sob agitação devido ao fluxo secundário é útil para recolher partículas em microescala em sistemas de dispersão. Como as nanopartículas com melhor estabilidade geralmente se movem junto com o fluido devido ao movimento browniano, durante o paradoxo da folha de chá de Einstein, o paradoxo da velocidade do fluxo induziu fluxos laminares, impulsionando a concentração localizada ou agregação de nanopartículas coloidais dentro do fluxo fino.
Os cientistas de materiais se concentraram em aerogéis metálicos, como ouro, em aplicações de catálise, absorção e biocompatibilidade de dispositivos, bem como em eletroquímica. Normalmente, três rotas principais podem ser usadas para preparar aerogéis metálicos. Neste trabalho, Zhang e colegas mostraram a agregação localizada de nanopartículas de ouro e a regulação das microestruturas dos aerogéis de ouro. A agregação localizada de partículas metálicas induzida pelo paradoxo da folha de chá de Einstein abre caminho para outros tipos de géis ou produção de aerogel. Modelo hipotético e demonstração experimental de ETLP. (A) Diagrama esquemático da distribuição NP sob efeito ETLP. O lado direito estão as supostas vistas em corte dos fluxos laminares e a distribuição dos NPs na metade esquerda de um béquer. (B) A curva em escala de cinza (vista vertical), foto frontal e foto vertical de SiO2 dispersão enquanto se agita. (C) As fotos (esquerda) e escala de cinza correspondente (direita) do SiO2 dispersão da vista frontal. Cinco fotos foram tiradas continuamente a cada 3 s, enquanto a agitação foi iniciada no início e interrompida no oitavo segundo. Crédito:Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi9108 Demonstrando o protocolo no nanocampo
Os cientistas estudaram a relação entre a distribuição de nanopartículas e a velocidade de fluxo em nanofluidos usando o software COMSOL Multiphysics para recriar o movimento de nanopartículas em fluxo laminar sob agitação. Eles monitoraram a trajetória das nanopartículas após agitação por 500 segundos, onde as nanopartículas no meio se moviam mais rápido com uma trajetória mais longa. A alta frequência e amplitude de movimento das nanopartículas nas regiões de alta velocidade promoveram os encontros das nanopartículas para torná-las mais concentradas ou reticuladas.
Com base nos resultados, Zhang e sua equipe presumiram que o movimento das nanopartículas em nanofluidos seguiria a lei ETLP (paradoxo das folhas de chá de Einstein). Para demonstrar a lei ETLP em nanoescala, a equipe dispersou as nanopartículas esféricas de dióxido de silício de 50 nm em água deionizada como um nanofluido. As nanopartículas exibiram ETLP macroscópico com efeitos de concentração localizados em nanofluidos. Processo de montagem-desmontagem em HAuCl4 solução. (A) A mudança de cor do HAuCl4 solução quando aquecida e resfriada:HAuCl4 solução aquecida a 30°, 50° e 80°C durante 1 hora, respectivamente, e depois resfriada até 10°C. (B) Suposto mecanismo de construção do cluster de íons Au:[AuCl4 ]
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pode ser desclorado e coclorado para formar grandes aglomerados de íons Au. (C) gráfico hν-αhν convertido da fig. S10A (UV-Vis de HAuCl4 solução foi medida desde 80°C até à temperatura ambiente continuamente quatro vezes). (D) Mudança Raman de 2,5% HAuCl4 solução durante processos de aquecimento e resfriamento. a.u., unidades arbitrárias. (E) Espectros FTIR de 10% HAuCl4 solução medida continuamente três vezes desde 80°C até à temperatura ambiente. (F) Todo o processo de preparação. A combinação de [AuCl4 ]
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poderia ser usado para controlar o tamanho do esqueleto dos GAs. Crédito:Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi9108 Desenvolvimento de aerogéis gasosos
A equipe de pesquisa preparou um gel de ouro agregado localmente, reduzindo aglomerados de íons de ouro por meio do processo do paradoxo das folhas de chá de Einstein. Eles formaram ácido cloroáurico (HAuCl4 ) solução com os aglomerados de ouro e secou os constituintes à temperatura ambiente ou sob uma fonte de luz de aquecimento para observações de microscopia eletrônica de transmissão.
Sob leve aquecimento, as partículas se reuniram em aglomerados, que a equipe observou posteriormente com medições e análises. Estes incluíram a condutividade e o valor do pH da solução de ouro medidos durante os processos de aquecimento e resfriamento. Ao regular a temperatura da solução precursora, os pesquisadores prepararam três amostras de aerogel de ouro por meio de agitação em 20 minutos. Contudo, sem agitação, não houve formação óbvia de gel na solução de ouro, mesmo após 24 horas e a 80°C.
Caracterização e aplicações de nanopartículas de ouro
Zhang e colegas analisaram a microestrutura do esqueleto dos aerogéis usando espalhamento de raios X de pequeno ângulo, microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão. O tamanho das partículas de ouro no aerogel era notavelmente diferente.
Usando espectroscopia de fotoelétrons de raios X, os cientistas detectaram a composição elementar de três amostras. Além do carbono proveniente de fonte de contaminação, observaram apenas ouro na composição dos aerogéis. O processo de preparação teve significativa qualidade de preservação do tempo, formando aerogéis de ouro com ampla gama de tamanhos de microestrutura e alta pureza. Fotografias e processo de preparação dos AGs. (A) Fotos de GAs. (B) agregação de GA3 induzida por ETLP:HAuCl disperso4 solução, HAuCl4 solução após a adição da relutância, partículas marrons precipitaram no sol, um pequeno gel agregado a partir de partículas marrons, o gel crescido com tamanho maior, enquanto a cor da solução ficou clara notavelmente, e o gel Au obtido. Crédito:Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi9108 Perspectiva
Desta forma, Zehui Zhang e sua equipe confirmaram que o paradoxo da folha azul-petróleo de Einstein (ETLP) é aplicável a nanofluidos com um efeito de agregação inesperadamente localizado para formar aerogéis de ouro simplesmente por agitação.
Os cientistas construíram aglomerados de íons de ouro de diferentes tamanhos, regulando a temperatura do ácido cloroáurico. Eles completaram os experimentos com efeitos de agregação conduzidos por ETLP e secagem de dióxido de carbono para desenvolver aerogéis com tamanhos de esqueleto variados, com capacidade para futuros aerogéis serem preparados de forma semelhante.
Mais informações: Zehui Zhang et al, o paradoxo da folha do chá de Einstein induziu agregação localizada de nanopartículas e sua conversão em aerogéis de ouro, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi9108 Informações do diário: Avanços da ciência
