Le nanobolle possono esistere su superfici solide o in liquidi sfusi come domini gassosi nanoscopici. Il fenomeno ha attirato una notevole attenzione a causa della (meta)stabilità di lungo periodo e del potenziale per applicazioni pratiche. In un nuovo rapporto, Mohammad Reza Ghaani e un team di ricercatori in chimica e ingegneria dei bioprocessi in Irlanda e Canada hanno utilizzato un nuovo approccio per esplorare la superficie della formazione di nanobolle elettrostatiche (NB). Hanno osservato la stabilità dei costrutti applicando campi elettrici esterni in sistemi gas-liquido per osservare un massiccio assorbimento di gas nel liquido sotto forma di nanobolle. Durante un periodo di mesi, la solubilità del gas è aumentata da 2,5 volte per l'ossigeno a 30 volte per il metano, basato sui valori della legge di Henry per la solubilità del gas, cioè più il gas è idrofobo, maggiore è l'assunzione. Utilizzando soluzioni di dinamica molecolare, Ghaani et al. ha rivelato che l'origine del movimento di NB deriva dalla dielettroforesi, mentre la sostanziale stabilità di NB nasce dalle interazioni superficie-polarizzazione. L'opera è ora pubblicata su Progressi scientifici .

Le nanobolle sono forme gassose nanoscopiche che possono esistere su superfici solide o in liquidi sfusi. Gli NB sfusi possono essere presenti nella maggior parte delle soluzioni acquose a causa dell'agitazione costante e della radiazione cosmica, attirando un'attenzione significativa per le applicazioni nella pulizia nanoscopica, per controllare lo slittamento limite in microfluidica, trattamento delle acque reflue, eterocoagulazione e medicina. Gli scienziati attribuiscono la presenza di lunga durata di NB all'accumulo di carica negativa nell'interfaccia bolla/liquido e ad una forte affinità elettronica sulla superficie. Indipendentemente dal diametro NB, la repulsione reciproca tra NB in ​​acqua è abbastanza grande da impedire la coalescenza e rallentare l'aumento della galleggiabilità. Gli scienziati possono regolare la dimensione degli NB in ​​presenza di agenti tensioattivi e utilizzare le bolle rivestite risultanti come agenti di contrasto per ultrasuoni o per la somministrazione mirata di farmaci.

In questo lavoro, Ghaani et al. affrontato i fattori fondamentali che regolano il pH-, natura sensibile al campo ionico e magnetico, compresa l'elettrostatica superficiale. Miravano a determinare se i campi elettrici applicati esternamente potessero manipolare, dettare, controllare e migliorare la formazione di NB. Se tali forze esterne avessero un effetto, hanno studiato il loro costo energetico e le alterazioni elettroindotte. Quando il team ha applicato una bassa energia elettrica, hanno osservato un aumento massiccio e rapido della sistemazione del gas NB metastabile nell'acqua. Gli scienziati hanno studiato se i primi risultati dello studio per la generazione di NB si sono verificati nel liquido sfuso o nell'interfaccia del liquido e hanno identificato il fenomeno dovuto agli NB sfusi utilizzando uno strumento diagnostico/di rilevamento NB bulk-probing.

Il team inizialmente ha collocato acqua deionizzata in un recipiente a pressione e ha alimentato gas puro a ~90 bar, chiuso il vaso e regolato la temperatura del sistema. Quando la configurazione ha raggiunto il livello di solubilità del gas della legge di Henry entro due ore, hanno attivato un campo elettrico statico esterno sostenuto all'interno dell'acqua liquida utilizzando una sorgente di corrente continua (DC) a 60 V. Entro tre ore o meno, hanno raggiunto un plateau di assorbimento del gas notevolmente elevato nell'acqua e hanno notato un flusso di molecole di gas che formano la fase gassosa di massa nel liquido durante la formazione di NB, facendo scendere la pressione. Comparativamente, l'energia richiesta per formare NB utilizzando campi elettrici era estremamente bassa e indicava livelli di efficienza energetica straordinariamente elevati.

Per esempio, l'energia necessaria per formare gli NB è pari a 0,3 W ora/m ³ ; molto inferiore a quello dei sistemi avanzati come le industrie delle acque reflue (~40 W ora/m ³ ). Per di più, mentre l'aerazione delle acque reflue in genere consentiva da circa 1 a 2 mg/litro di ossigeno disciolto, il team ha raggiunto da circa 25 a 35 mg/litro di ossigeno disciolto con NB metastabili per mesi. Utilizzando la dinamica molecolare di non equilibrio (NEMD) Ghaani et al. ha quindi esplorato i meccanismi molecolari alla base dello sbalorditivo aumento dell'accomodamento del gas osservato sperimentalmente nell'acqua. Sembrava che più il gas era idrofobo, più accentuato l'effetto del campo elettrico per amplificare il massiccio aumento della capacità di formare NB bulk. I risultati hanno anche suggerito che la formazione di NB potrebbe essere cineticamente dominata.

Il team ha quindi eseguito simulazioni NEMD (dinamica molecolare non in equilibrio) sia per il propano che per il metano nell'acqua e ha osservato risultati simili per entrambi i gas. Durante la simulazione, Ghaani et al. campi esterni applicati di intensità molto maggiore di quelli utilizzati per gli esperimenti per osservare risultati credibili con un rapporto segnale-rumore minimo, per più di un milione di atomi di NEMD, nell'arco di decine di nanosecondi. I campi più intensi hanno promosso prontamente la formazione di NB con una superficie maggiore nella simulazione.

Poiché la stabilità di lunga durata di NB è ben nota, il team ha studiato la metastabilità degli NB dopo la rimozione del campo e l'esposizione alla pressione ambiente. Per capire se le NB sono localizzate in superficie o distribuite alla rinfusa, il team ha utilizzato lo scattering dispersivo della luce (DLS) come metodo di sondaggio di massa e ha rilevato NB in ​​tutto il liquido di massa. Però, gli scienziati hanno anche notato bolle di dimensioni da micro a macro insolitamente transitorie sulla superficie del politetrafluoroetilene (PTFE) nel sistema nate dalla nucleazione di bolle su scala da nano a micron dopo l'applicazione di un campo elettrico. Ghaani et al. osservato che le bolle localizzate di acqua/gas in eccesso di ossigeno si destabilizzavano meccanicamente entro sei ore, mentre la perdita di bolle di massa limitata si è verificata dopo 6-50 ore. Dopo un periodo di quattro mesi, i restanti NB ingranditi come misurato con DLS (dispersive light scattering).

In questo modo, Mohammad Reza Ghaani e colleghi hanno osservato la prima prova nello studio della formazione di bulk-NB con un maggiore potenziamento per più gas idrofobici. La scoperta avrà un grande impatto sulla fermentazione, industrie della birra e del trattamento delle acque reflue. Il team propone un ulteriore lavoro per comprendere i meccanismi alla base della cinetica della generazione di NB e della successiva stabilizzazione di NB. Il team di ricerca ha realizzato "liquidi nanoporosi" in questo lavoro a causa della presenza di liquidi porosi o "bucati" con gas NB in ​​modo semplice e facile.

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