La agitación puede permitir la dispersión uniforme de sustancias en el líquido. La paradoja de la hoja de té de Einstein es un concepto que muestra cómo las hojas de té pueden concentrarse en forma de rosquilla a través de un efecto de flujo secundario durante la agitación. En un nuevo estudio publicado en Science Advances , Zehui Zhang y sus colegas en física e ingeniería en China, demostraron la concentración inducida por la paradoja de la hoja de té de Einstein (abreviada como ETLP) en nanofluidos.
Lo lograron simulando la trayectoria de las nanopartículas bajo agitación para obtener un análisis en escala de grises de nanofluidos bajo procesos de agitación y reposo. El equipo aplicó la concentración localizada para lograr una agregación ultrarrápida de nanopartículas de oro para formar aerogeles de oro. Ajustaron los aerogeles de oro de aproximadamente 10 a 200 nm y desarrollaron un componente de pureza y cristalinidad extremadamente altas para revelar aplicaciones potenciales en fotocatálisis y dispersión Raman mejorada en superficie.
En 1926, Albert Einstein describió una simple observación experimental mientras revolvía el té, donde las hojas seguían una trayectoria en espiral hacia el centro de la taza. En consecuencia, la recolección de hojas de té bajo agitación debido al flujo secundario es útil para recolectar partículas a microescala en sistemas de dispersión. Dado que las nanopartículas con mejor estabilidad generalmente se mueven junto con el fluido debido al movimiento browniano, durante la paradoja de la hoja de té de Einstein, la paradoja de la velocidad del flujo indujo flujos laminares, impulsando la concentración localizada o agregación de nanopartículas coloidales dentro del flujo fino.
Los científicos de materiales se han centrado en aerogeles metálicos como el oro, en aplicaciones de catálisis, absorción y biocompatibilidad de dispositivos, así como en electroquímica. Normalmente, se pueden utilizar tres rutas principales para preparar aerogeles metálicos. En este trabajo, Zhang y sus colegas mostraron la agregación localizada de nanopartículas de oro y la regulación de las microestructuras de los aerogeles de oro. La agregación localizada de partículas metálicas inducida por la paradoja de la hoja de té de Einstein allana el camino a otros tipos de producción de geles o aerogeles.
Demostración del protocolo en el nanocampo
Los científicos estudiaron la relación entre la distribución de nanopartículas y la velocidad del flujo en nanofluidos utilizando el software COMSOL Multiphysics para recrear el movimiento de nanopartículas en un flujo laminar bajo agitación. Monitorearon la trayectoria de las nanopartículas después de agitarlas durante 500 segundos, donde las nanopartículas en el medio se movían más rápido con una trayectoria más larga. La alta frecuencia de movimiento y amplitud de las nanopartículas en las regiones de alta velocidad promovieron los encuentros de las nanopartículas para hacerlas más concentradas o entrecruzadas.
Con base en los resultados, Zhang y su equipo asumieron que el movimiento de las nanopartículas en nanofluidos seguiría la ley ETLP (paradoja de la hoja de té de Einstein). Para demostrar la ley ETLP a nanoescala, el equipo dispersó las nanopartículas esféricas de dióxido de silicio de 50 nm en agua desionizada como un nanofluido. Las nanopartículas exhibieron ETLP macroscópico con efectos de concentración localizados en nanofluidos.
Desarrollo de aerogeles gaseosos
El equipo de investigación preparó un gel de oro agregado localmente reduciendo los grupos de iones de oro mediante el proceso de la paradoja de la hoja de té de Einstein. Formaron ácido cloroáurico (HAuCl4 ) solución con los grupos de oro y secó los componentes a temperatura ambiente o bajo una fuente de luz calefactora para observaciones de microscopía electrónica de transmisión.
Bajo un ligero calentamiento, las partículas se agruparon en grupos, que el equipo observó con más detalle mediante mediciones y análisis. Estos incluyeron la conductividad y el valor de pH de la solución de oro medidos durante los procesos de calentamiento y enfriamiento. Al regular la temperatura de la solución precursora, los investigadores prepararon tres muestras de aerogel de oro mediante agitación en 20 minutos. Sin embargo, sin agitar, no se produjo una formación evidente de gel en la solución de oro, incluso después de 24 horas y a 80°C.
Zhang y sus colegas analizaron la microestructura esquelética de los aerogeles mediante el uso de dispersión de rayos X de ángulo pequeño, microscopía electrónica de barrido y microscopía electrónica de transmisión. El tamaño de las partículas de oro en el aerogel era notablemente diferente.
Utilizando espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, los científicos detectaron la composición elemental de tres muestras. Aparte del carbono procedente de una fuente de contaminación, sólo observaron oro en la composición de los aerogeles. El proceso de preparación tuvo una importante calidad de preservación del tiempo, formando aerogeles de oro con una amplia gama de tamaños de microestructura y alta pureza.
Perspectivas
De esta manera, Zehui Zhang y su equipo confirmaron que la paradoja de la hoja de cerceta de Einstein (ETLP) es aplicable a nanofluidos con un efecto de agregación inesperadamente localizado para formar aerogeles de oro simplemente agitando.
Los científicos construyeron grupos de iones de oro de diferentes tamaños regulando la temperatura del ácido cloroáurico. Completaron los experimentos con efectos de agregación impulsados por ETLP y secado con dióxido de carbono para desarrollar aerogeles con diferentes tamaños de esqueleto, con capacidad para que futuros aerogeles se preparen de manera similar.
Más información: Zehui Zhang et al, La paradoja de la hoja de té de Einstein indujo la agregación localizada de nanopartículas y su conversión en aerogeles de oro, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi9108
Información de la revista: Avances científicos
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