Diverse istantanee tipiche per nanobolle che perdono la loro stabilità con varie concentrazioni di tensioattivi e livelli di interazione con i substrati. In ogni immagine, il pannello superiore mostra l'evoluzione del sistema con tutte le particelle coinvolte, mentre nel pannello inferiore, non è stato dimostrato che le molecole di solvente chiariscano l'effetto dei tensioattivi. Credito:Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, e Xianren Zhang
Le nanobolle hanno recentemente guadagnato popolarità per le loro proprietà uniche e le loro vaste applicazioni. La loro ampia superficie e l'elevata stabilità nei liquidi saturi rendono le nanobolle candidati ideali per la scienza dell'alimentazione, medicina e progressi ambientali. Le nanobolle hanno anche una lunga durata di ore o giorni, e maggiore applicabilità rispetto alle tradizionali macrobolle, che in genere durano solo pochi secondi.
La stabilità delle nanobolle è ben nota, ma i meccanismi che determinano la loro eventuale destabilizzazione sono ancora in discussione. Utilizzando simulazioni di dinamica molecolare (MDS), i ricercatori dell'Università di tecnologia chimica di Pechino hanno esplorato l'effetto dei tensioattivi, componenti che abbassano la tensione superficiale, sulla stabilizzazione delle nanobolle. Riferiscono le loro scoperte sui sorprendenti meccanismi di destabilizzazione per tensioattivi sia solubili che insolubili questa settimana in Lettere di fisica applicata .
I ricercatori hanno studiato le differenze tra tensioattivi solubili e insolubili e la loro influenza variabile sulla stabilità delle nanobolle utilizzando il software MDS. Hanno creato un sistema modello controllato in cui le uniche variabili che potevano essere manipolate erano il numero di tensioattivi e l'interazione tra il tensioattivo e il substrato, la base del modello in cui si forma la bolla, per misurare l'influenza diretta dei tensioattivi sulla stabilità delle nanobolle.
Analizzando tensioattivi sia solubili che insolubili, il gruppo si è concentrato su due possibili meccanismi di destabilizzazione:depinning della linea di contatto, dove la flessibilità del tensioattivo riduce le forze responsabili della stabilizzazione della forma della bolla, provocandone la rottura per mancanza di forza superficiale interna; e riduzione della tensione superficiale, provocando una transizione di fase da liquido a vapore.
(a) Dall'alto verso il basso, il modello per solvente, tensioattivo solubile e tensioattivo insolubile, rispettivamente. Per le molecole di tensioattivo, piccole perle arancioni rappresentano la coda del tensioattivo (non polare, regione idrofobica) e le perle verdi più grandi rappresentano la testa del surfattante (polare, regione idrofila). (b) La configurazione finale per una nanobolla stabile è mostrata qui con sezioni grigie che rappresentano molecole liquide, l'area blu che rappresenta il substrato superiore e l'area marrone chiaro che rappresenta il substrato inferiore. Credito:Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, e Xianren Zhang
I tensioattivi solubili trovati hanno avviato la formazione di nanobolle quando una grande quantità, circa l'80 per cento, del tensioattivo è stato adsorbito dal substrato, alla fine facendo scoppiare le nanobolle.
"Però, quando sono state introdotte piccole concentrazioni di tensioattivo solubile è rimasto disciolto, e l'assorbimento sul substrato era insignificante, generando un effetto trascurabile sulla stabilità delle nanobolle, ", ha affermato Xianren Zhang dell'Università di tecnologia chimica di Pechino.
Le simulazioni con tensioattivi insolubili hanno mostrato risultati comparabili ai tensioattivi solubili quando interagiscono pesantemente con i substrati, ma è stato scoperto un nuovo meccanismo che dimostra un modello di transizione liquido-vapore della rottura delle bolle.
La transizione è simile a come tradizionalmente immaginiamo lo scoppio delle bolle, si verifica quando un tensioattivo riduce significativamente la tensione superficiale all'esterno della nanobolla. Le nanobolle si destabilizzano in questo modo quando è presente una grande quantità di tensioattivo, ma si verifica poca interazione, circa il 40%, tra tensioattivo e substrato.
Questi risultati sono fondamentali per comprendere la stabilità delle nanobolle e hanno implicazioni per l'interazione delle nanobolle con altre molecole, comprese proteine e contaminanti. Le applicazioni delle nanobolle potrebbero rivoluzionare aspetti della medicina moderna come le tecniche ad ultrasuoni, espandere le funzioni nella scienza dell'alimentazione, e migliorare il trattamento delle acque reflue. Ma caratterizzare meglio le proprietà di base come l'instabilità è essenziale per sfruttare appieno il loro potenziale in queste applicazioni.
