Flera typiska ögonblicksbilder för nanobubblor som förlorar sin stabilitet med olika koncentrationer av ytaktiva ämnen och nivåer av interaktion med substrat. På varje bild, topppanelen visar utvecklingen av systemet med alla inblandade partiklar, medan i den nedre panelen, lösningsmedelsmolekyler har inte visat sig klargöra effekten av ytaktiva ämnen. Kredit:Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, och Xianren Zhang
Nanobubblor har nyligen vunnit popularitet för sina unika egenskaper och expansiva applikationer. Deras stora yta och höga stabilitet i mättade vätskor gör nanobubblor till idealiska kandidater för livsmedelsvetenskap, framsteg inom medicin och miljö. Nanobubblor har också lång livslängd på timmar eller dagar, och större användbarhet än traditionella makrobubblor, som vanligtvis bara varar i sekunder.
Stabiliteten hos nanobubblor är väl förstått, men mekanismerna som orsakar deras eventuella destabilisering är fortfarande ifrågasatta. Med hjälp av molekylära dynamiksimuleringar (MDS), forskare från Beijing University of Chemical Technology undersökte effekten av ytaktiva ämnen - komponenter som sänker ytspänningen - på stabiliseringen av nanobubblor. De rapporterar sina resultat om de överraskande mekanismerna för destabilisering för både lösliga och olösliga ytaktiva ämnen denna vecka i Bokstäver i tillämpad fysik .
Forskare undersökte skillnaderna mellan lösliga och olösliga ytaktiva ämnen och deras varierande inverkan på nanobubblans stabilitet med hjälp av MDS-programvara. De skapade ett kontrollerat modellsystem där de enda variablerna som kunde manipuleras var antalet ytaktiva ämnen och interaktionen mellan det ytaktiva medlet och substratet, basen av modellen där bubblan bildas, för att mäta den direkta inverkan av ytaktiva ämnen på nanobubblans stabilitet.
Analysera både lösliga och olösliga ytaktiva ämnen, gruppen fokuserade på två möjliga mekanismer för destabilisering:kontaktlinjedefiniering, där den ytaktiva flexibiliteten minskar de krafter som är ansvariga för att stabilisera bubbelformen, får den att brista på grund av brist på inre ytkraft; och reducering av ytspänning, orsakar en fasövergång från vätska till ånga.
(a) Uppifrån och ner, modellen för lösningsmedel, lösligt ytaktivt ämne och olösligt ytaktivt ämne, respektive. För de ytaktiva molekylerna, små orange pärlor representerar ytaktiv svans (icke-polär, hydrofob region) och de större gröna pärlorna representerar ytaktivt huvud (polärt, hydrofil region). (b) Den slutliga konfigurationen för en stabil nanobubbla visas här med gråa sektioner som representerar vätskemolekyler, det blå området representerar toppsubstratet och det bruna området representerar bottensubstratet. Kredit:Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, och Xianren Zhang
De hittade lösliga ytaktiva medlen initierade nanobubblebildning när en stor mängd, ungefär 80 procent, av det ytaktiva medlet adsorberades av substratet, så småningom får nanobubblorna att spricka.
"Dock, när små koncentrationer av lösligt ytaktivt ämne infördes förblev det löst, och adsorptionen på substratet var obetydlig, genererar en försumbar effekt på nanobubblans stabilitet, " sa Xianren Zhang vid Beijing University of Chemical Technology.
Simuleringar med olösliga ytaktiva ämnen visade jämförbara resultat med lösliga ytaktiva ämnen när de interagerar kraftigt med substrat, men en ny mekanism upptäcktes som demonstrerar en vätske-till-ånga övergångsmodell för bubbelbrott.
Övergången liknar hur vi traditionellt föreställer oss bubblor som poppar, uppstår när ett ytaktivt ämne avsevärt minskar ytspänningen på utsidan av nanobubblan. Nanobubblor destabiliseras på detta sätt när en stor mängd ytaktivt ämne är närvarande, men lite - runt 40 procent - interaktion mellan ytaktivt ämne och substrat inträffar.
Dessa fynd är avgörande för att förstå nanobubblans stabilitet och har implikationer för nanobubblans interaktion med andra molekyler, inklusive proteiner och föroreningar. Nanobubbleapplikationer kan revolutionera aspekter av modern medicin som ultraljudstekniker, utöka funktioner inom livsmedelsvetenskap, och förbättra avloppsvattenrening. Men bättre karakterisering av grundläggande egenskaper som instabilitet är avgörande för att fullt ut kunna utnyttja deras potential i dessa applikationer.
