L'agitation peut permettre la dispersion uniforme des substances dans le liquide. Le paradoxe des feuilles de thé d'Einstein est un concept qui montre comment les feuilles de thé peuvent se concentrer en forme de beignet grâce à un effet d'écoulement secondaire lors de l'agitation. Dans une nouvelle étude publiée dans Science Advances , Zehui Zhang et ses collègues en physique et en ingénierie en Chine, ont démontré la concentration induite par le paradoxe des feuilles de thé d'Einstein (en abrégé ETLP) dans les nanofluides.
Ils y sont parvenus en simulant la trajectoire des nanoparticules sous agitation pour obtenir une analyse en niveaux de gris des nanofluides sous agitation et processus de repos. L’équipe a appliqué la concentration localisée pour obtenir une agrégation ultrarapide de nanoparticules d’or afin de former des aérogels d’or. Ils ont ajusté les aérogels d'or d'environ 10 à 200 nm et développé un constituant d'une pureté et d'une cristallinité extrêmement élevées pour révéler des applications potentielles en photocatalyse et en diffusion Raman améliorée en surface.
En 1926, Albert Einstein décrit une simple observation expérimentale en remuant du thé, où les feuilles suivaient une trajectoire en spirale vers le centre de la tasse. En conséquence, la collecte de feuilles de thé sous agitation en raison du flux secondaire est utile pour collecter des particules microscopiques dans des systèmes de dispersion. Étant donné que les nanoparticules ayant une meilleure stabilité se déplacent généralement avec le fluide en raison du mouvement brownien, lors du paradoxe de la feuille de thé d'Einstein, le paradoxe de la vitesse d'écoulement a induit des flux laminaires, entraînant la concentration ou l'agrégation localisée de nanoparticules colloïdales à l'intérieur du flux mince.
Les scientifiques des matériaux se sont concentrés sur les aérogels métalliques tels que l’or, dans les applications de catalyse, d’absorption et de biocompatibilité des dispositifs, ainsi qu’en électrochimie. Généralement, trois voies principales peuvent être utilisées pour préparer des aérogels métalliques. Dans ce travail, Zhang et ses collègues ont montré l’agrégation localisée de nanoparticules d’or et la régulation des microstructures des aérogels d’or. L'agrégation localisée de particules métalliques induite par le paradoxe des feuilles de thé d'Einstein ouvre la voie à d'autres types de gels ou de production d'aérogels.
Démonstration du protocole dans le nanochamp
Les scientifiques ont étudié la relation entre la distribution des nanoparticules et la vitesse d'écoulement dans les nanofluides en utilisant le logiciel COMSOL Multiphysics pour recréer le mouvement des nanoparticules dans un écoulement laminaire sous agitation. Ils ont surveillé la trajectoire des nanoparticules après agitation pendant 500 secondes, où les nanoparticules du milieu se déplaçaient plus rapidement avec une trajectoire plus longue. La fréquence et l'amplitude de mouvement élevées des nanoparticules dans les régions à haute vitesse ont favorisé la rencontre des nanoparticules pour les rendre plus concentrées ou réticulées.
Sur la base des résultats, Zhang et son équipe ont supposé que le mouvement des nanoparticules dans les nanofluides suivrait la loi ETLP (paradoxe des feuilles de thé d'Einstein). Pour démontrer la loi ETLP à l’échelle nanométrique, l’équipe a dispersé les nanoparticules sphériques de dioxyde de silicium de 50 nm dans de l’eau déminéralisée sous forme de nanofluide. Les nanoparticules présentaient une ETLP macroscopique avec des effets de concentration localisés dans les nanofluides.
Développement d'aérogels gazeux
L'équipe de recherche a préparé un gel d'or localement agrégé en réduisant les amas d'ions d'or grâce au processus de paradoxe des feuilles de thé d'Einstein. Ils ont formé de l'acide chloroaurique (HAuCl4 ) solution avec les amas d'or et séché les constituants à température ambiante ou sous une source de lumière chauffante pour les observations en microscopie électronique à transmission.
Sous un léger chauffage, les particules se sont rassemblées en amas, que l’équipe a ensuite observés à l’aide de mesures et d’analyses. Ceux-ci comprenaient la conductivité et la valeur du pH de la solution d'or mesurées pendant les processus de chauffage et de refroidissement. En régulant la température de la solution précurseur, les chercheurs ont préparé trois échantillons d’aérogel d’or en les remuant en 20 minutes. Cependant, sans agitation, il n'y avait pas de formation de gel évidente dans la solution d'or, même après 24 heures et à 80°C.
Zhang et ses collègues ont analysé la microstructure du squelette des aérogels en utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles, la microscopie électronique à balayage et la microscopie électronique à transmission. La taille des particules d'or dans l'aérogel était sensiblement différente.
Grâce à la spectroscopie photoélectronique à rayons X, les scientifiques ont détecté la composition élémentaire de trois échantillons. Outre le carbone issu d’une source de contamination, ils n’ont observé que de l’or dans la composition des aérogels. Le processus de préparation présentait une qualité de conservation du temps significative, formant des aérogels d'or avec une large gamme de tailles de microstructures et une pureté élevée.
Perspectives
De cette manière, Zehui Zhang et son équipe ont confirmé que le paradoxe de la feuille de sarcelle d'Einstein (ETLP) était applicable aux nanofluides avec un effet d'agrégation localisé de manière inattendue pour former des aérogels d'or par simple agitation.
Les scientifiques ont construit des amas d’ions d’or de différentes tailles en régulant la température de l’acide chloroaurique. Ils ont complété les expériences avec les effets d'agrégation basés sur l'ETLP et le séchage au dioxyde de carbone pour développer des aérogels avec différentes tailles de squelette, avec la possibilité de préparer les futurs aérogels de la même manière.
Plus d'informations : Zehui Zhang et al, Le paradoxe des feuilles de thé d'Einstein induit une agrégation localisée de nanoparticules et leur conversion en aérogels d'or, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adi9108
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