Olio e acqua non si mescolano, ma un team KAUST ha sfruttato le distinte interfacce tra queste sostanze per rendere più efficiente la generazione di plasma nei liquidi. Questo approccio è promettente per la sintesi ad alto rendimento di nanomateriali da reagenti liquidi o per l'eliminazione controllata dei parassiti presenti nell'acqua.

Le versioni familiari dei plasmi nelle insegne al neon e nei display TV utilizzano stabili, particelle cariche allo stato gassoso. Ma quando viene prodotto in acqua da esplosioni di elettricità in nanosecondi, gli ioni positivi nel plasma si raffreddano significativamente rispetto agli elettroni caldi energetici. Le scariche non termiche risultanti sono in grado di trasferire energia alle o dalle molecole circostanti, rendendoli potenziali influenzatori delle reazioni chimiche.

Ahmad Hamdan, un ricercatore post-dottorato con Min Suk Cha, sta lavorando per ampliare l'impatto dei plasmi in liquido riducendo i requisiti tipici della tensione di rottura. Inizialmente, lui e i suoi colleghi hanno iniettato minuscole bolle di gas nei liquidi per interrompere il normale campo elettrico e creare regioni di intensità amplificata per separare le cariche. Sfortunatamente, questa strategia tendeva a intrappolare gli elettroni caldi all'interno delle bolle, isolandoli da potenziali bersagli chimici.

Queste indagini, però, ha rivelato che i cambiamenti nella permittività dielettrica, un parametro che influenza il modo in cui i campi elettrici si propagano nei materiali, svolto un ruolo chiave nel miglioramento del campo basato su bolle. Hamdan si rese conto che questo fenomeno poteva essere riprodotto immergendo un elettrodo in due liquidi con risposte diverse ai campi elettrici:uno strato di olio di eptano a basso dielettrico sopra l'acqua, ad esempio.

Ottimizzando la posizione dell'elettrodo all'interno dell'interfaccia olio-acqua, Hamdan ha scoperto di poter generare plasmi nei liquidi con una probabilità del 100% a tensioni inferiori al normale. Inoltre, il plasma si propaga lungo l'interfaccia con un aumento di cinque volte del volume di scarica.

"Questo è interessante perché il plasma è in grado di decomporre entrambi i liquidi senza erodere l'elettrodo, " osserva Hamdan. "Questo ci dà la flessibilità di provare a trasformare un'ampia gamma di sostanze in nuovi nanomateriali".

A dimostrazione, il team ha sostituito lo strato di eptano con un olio di esametildisilazano contenente silicio, atomi di azoto e di idrocarburi. L'applicazione di scariche elettriche in nanosecondi a questa interfaccia olio-acqua ha prodotto nanoparticelle di organosilicio a velocità elevate, diversi milligrammi al minuto, confinate in modo sicuro all'interno del mezzo liquido. L'ulteriore post-elaborazione ha prodotto specie sufficientemente stabili per dispositivi microelettronici ad alta temperatura.

Importante per questo lavoro è stata la microscopia elettronica a trasmissione fornita da Dalaver Anjum presso l'Imaging and Characterization Core Lab di KAUST, che si è rivelato cruciale per stabilire relazioni tra nanoparticelle di silice di diverse dimensioni e le loro proprietà dielettriche. Per di più, uno speciale prisma di elettroni sul microscopio ha fornito la scomposizione elemento per elemento delle singole composizioni di nanoparticelle.

Le applicazioni di questo lavoro sono ampie. "Abbiamo dimostrato solo una parte delle potenziali applicazioni realizzabili, " dice Cha. "Questa nuova idea può essere estesa alla purificazione dell'acqua, applicazioni biomediche, e potenziamento dei combustibili liquidi di bassa qualità; continueremo a lavorare per rendere tangibili queste applicazioni.