Schema di nanobolle Xe ottenute da simulazioni di dinamica molecolare. L'evento di formazione corrisponde a un'elevata concentrazione di Xe (circa 30 molecole d'acqua per atomo). Crediti:Jaramillo-Granada, Reyes-Figueroa e Ruiz-Suarez.
Le nanobolle sono cavità gassose estremamente piccole (cioè nanoscopiche) che alcuni fisici hanno osservato in soluzioni acquose, in genere dopo che al loro interno erano state disciolte sostanze specifiche. Mentre alcuni studi hanno riportato l'osservazione di queste bolle incredibilmente minuscole, alcuni scienziati hanno affermato che si tratta semplicemente di residui solidi o oleosi formati durante gli esperimenti.
I ricercatori del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados Unidad Monterrey e del Centro de Investigación en Matemáticas Unidad Monterrey in Messico hanno recentemente condotto un esperimento volto a indagare ulteriormente la natura di questi oggetti elusivi e misteriosi, in particolare quando xeno e krypton sono stati disciolti nell'acqua. Il loro studio, pubblicato in Lettere di revisione fisica , ha identificato la formazione di quelli che il team chiama "nanoblob", ma non ha trovato prove di nanobolle.
"Il nostro obiettivo era creare nanobolle di xeno e krypton utilizzando un metodo pulito", ha detto a Phys.org Carlos Ruiz Suarez, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Devo dire che molti scienziati affermano che le nanobolle, nonostante il loro utilizzo in molte applicazioni, non esistono. Piuttosto, si pensa che siano contaminanti solidi/olio formatisi durante gli esperimenti".
Per risolvere il "mistero" delle nanobolle, Ruiz Suarez ei suoi colleghi hanno ideato un metodo "pulito" che avrebbe dovuto teoricamente consentire loro di produrre nanobolle "reali". Questo metodo prevedeva la dissoluzione dei due gas nobili xeno e kripton in acqua, applicando loro un'elevata pressione, quindi depressurizzando e ispezionando il liquido risultante.
Il team ha valutato i risultati di questa procedura sia in simulazioni di dinamica molecolare (MDS) che in esperimenti di laboratorio. Sebbene abbiano effettivamente osservato particelle simili a nanobolle, quando hanno analizzato queste particelle sono rimasti sorpresi di scoprire che si trattava molto probabilmente di strutture amorfe gas-acqua, piuttosto che di bolle gassose.
"Per riunire gli atomi nobili per nuclearsi in bolle, dovevamo aumentare le loro concentrazioni nel mezzo acquoso", ha spiegato Ruiz Suarez. "Eseguendo gli MDS, abbiamo scoperto che le proporzioni corrette tra le molecole d'acqua e gli atomi nobili erano di circa 30 molecole d'acqua/atomo. Pertanto, dovevamo costruire una cella ad alta pressione per costringere gli atomi a dissolversi in acqua spingendo il gas all'interno ."
Esperimento di centrifugazione e tempo di arrivo dei colloidi sulla superficie dell'acqua in funzione della differenza di densità. Quando questo è zero, il tempo diverge. Credito:Jaramillo-Granada, Reyes-Figueroa e Ruiz-Suarez, PRL (2022).
Xenon e krypton sono due gas idrofobici. Ciò significa che possono entrare in acqua e soluzioni acquose solo a pressioni elevate (oltre 360 bar o atmosfere). Una volta entrati in acqua, tuttavia, possono legarsi tra loro attraverso forze idrofobiche e di van der Waals.
"Al momento non c'è modo di vedere all'interno della cella, ma supponevamo che le bolle esistessero perché credevamo ai nostri MDS", ha detto Ruiz Suarez. "Il passo successivo per il nostro lavoro è stato depressurizzare il campione e vedere le bolle. Tuttavia, con nostra grande sorpresa, non c'erano bolle, ma qualcos'altro:nanostrutture formate da gas e acqua, che abbiamo chiamato nanoblob. Si tratta di strutture sui generis che danno origine a clatrati idrati."
L'esistenza delle nanobolle rimane un argomento dibattuto nella fisica delle particelle e il recente lavoro di questi ricercatori potrebbe aiutare a risolvere questo mistero. Proprio come lo xeno e il krypton, anche molti altri gas usati per formare nanobolle possono formare idrati di clatrato (cioè strutture d'acqua con molecole al loro interno). Nel complesso, i risultati del team suggeriscono quindi che ciò che molti studi precedenti hanno identificato come "nanobolle" potrebbero invece essere queste nanostrutture amorfe formate da idrati di clatrato.
"È importante sottolineare che quando una teoria fisica esistente non può spiegare i risultati sperimentali, ai fisici piace definirla una catastrofe", ha detto Ruiz Suarez. "Poiché le nanobolle hanno un'alta pressione al loro interno (più piccole sono, maggiore è la pressione), la teoria dice che la loro durata è molto breve (dell'ordine dei microsecondi). Tuttavia, le osservazioni hanno rivelato che esistono molto più a lungo, quindi questo è stato chiamata la catastrofe della bolla di pressione di Laplace."
Se i risultati raccolti da questo team di ricercatori sono validi e affidabili, potrebbero contribuire notevolmente all'attuale comprensione delle nanobolle. In sostanza, i loro risultati suggeriscono che la catastrofe della bolla di pressione di Laplace non esiste, poiché le "nanobolle" precedentemente osservate sono invece "nanoblob" o strutture alternative risultanti da idrati di clatrato nei gas utilizzati sperimentalmente.
"Stiamo ora costruendo un apparato sperimentale che ci permetterà di vedere all'interno della cellula e osservare le nanobolle ad alta pressione", ha detto Ruiz Suarez. "Vorremmo vedere la loro evoluzione quando diminuiamo la pressione e il momento in cui diventano idrati di clatrato. Nel frattempo, stiamo studiando anche altri gas importanti come l'ossigeno e l'anidride carbonica". + Esplora ulteriormente
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