Schematisk över Xe nanobubblor erhållna genom Molecular Dynamics Simulations. Bildningshändelsen motsvarar en hög Xe-koncentration (cirka 30 vattenmolekyler per atom). Kredit:Jaramillo-Granada, Reyes-Figueroa &Ruiz-Suarez.
Nanobubblor är extremt små (d.v.s. nanoskopiska) gasformiga håligheter som vissa fysiker observerade i vattenlösningar, vanligtvis efter att specifika ämnen lösts upp i dem. Medan vissa studier rapporterade observation av dessa otroligt små bubblor, har vissa forskare hävdat att de bara är fasta eller oljiga rester som bildas under experiment.
Forskare vid Centro de Investigación y de Estudios Avanzados Unidad Monterrey och Centro de Investigación en Matemáticas Unidad Monterrey i Mexiko har nyligen genomfört ett experiment som syftar till att ytterligare undersöka naturen hos dessa svårfångade och mystiska föremål, särskilt när xenon och krypton löstes i vatten. Deras studie, presenterad i Physical Review Letters , identifierade bildandet av vad teamet refererar till som "nanoblobs", men hittade inga bevis på nanobubblor.
"Vårt mål var att skapa xenon- och krypton-nanobubblor med en ren metod", säger Carlos Ruiz Suarez, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Jag måste säga att många forskare hävdar att nanobubblor, trots att de används i många applikationer, inte existerar. Man tror snarare att de är olja/fasta föroreningar som bildas under experimenten."
För att lösa "mysteriet" med nanobubblor, utarbetade Ruiz Suarez och hans kollegor en "ren" metod som teoretiskt borde ha tillåtit dem att producera "riktiga" nanobubblor. Denna metod innebar att man löste upp de två ädelgaserna xenon och krypton i vatten, genom att applicera högt tryck på dem, och sedan trycksänka och inspektera den resulterande vätskan.
Teamet bedömde resultaten av denna procedur i både molekylära dynamiksimuleringar (MDS) och laboratorieexperiment. Även om de faktiskt observerade nanobubbleliknande partiklar, när de analyserade dessa partiklar blev de förvånade över att finna att dessa med största sannolikhet var gas-vatten amorfa strukturer, snarare än gasbubblor.
"För att sammanföra de ädla atomerna för att kärna till bubblor behövde vi öka deras koncentrationer i vattenmediet," förklarade Ruiz Suarez. "Genom att utföra MDS fann vi att de korrekta proportionerna mellan vattenmolekyler och de ädla atomerna var cirka 30 vattenmolekyler/atom. Därför behövde vi bygga en högtryckscell för att tvinga atomerna att lösas upp i vatten genom att trycka in gasen inuti ."
Centrifugeringsexperiment och tiden kolloider anländer till vattenytan som en funktion av densitetsskillnaden. När detta är noll divergerar tiden. Kredit:Jaramillo-Granada, Reyes-Figueroa &Ruiz-Suarez, PRL (2022).
Xenon och krypton är två hydrofoba gaser. Detta innebär att de endast kan komma in i vatten och vattenlösningar under högt tryck (över 360 bar eller atmosfärer). När de väl kommer in i vatten kan de dock binda till varandra genom hydrofoba krafter och van der Waals krafter.
"Det finns för närvarande inget sätt att se inuti cellen, men vi antog att bubblorna existerade för att vi trodde på våra MDS," sa Ruiz Suarez. "Nästa steg för vårt arbete var att trycka ner provet och se bubblorna. Men till vår stora förvåning fanns det inga bubblor, utan något annat:nanostrukturer som bildas av gas och vatten, som vi kallade nanobubbar. Dessa är sui generis-strukturer som ger upphov till klatrater hydrater."
Förekomsten av nanobubblor är fortfarande ett omdebatterat ämne inom partikelfysik och det senaste arbetet av dessa forskare kan hjälpa till att lösa detta mysterium. Precis som xenon och krypton kan många andra gaser som används för att bilda nanobubblor också bilda klatrathydrater (d.v.s. vattenstrukturer med molekyler inuti dem). Sammantaget tyder teamets resultat alltså på att det som många tidigare studier identifierat som "nanobubblor" istället kan vara dessa amorfa nanostrukturer som bildas av klatrathydrater.
"Det är viktigt att påpeka att när en existerande fysikalisk teori inte kan förklara experimentella fynd, gillar fysiker att namnge det som en katastrof," sa Ruiz Suarez. "Eftersom nanobubblor har högt tryck inuti sig (ju mindre de är desto högre är trycket), säger teorin att deras livslängd är mycket kort (i storleksordningen mikrosekunder). Men observationer visade att de existerar mycket längre, så detta har varit kallas Laplace Pressure Bubble Catastrophe."
Om resultaten som samlats in av detta team av forskare är giltiga och tillförlitliga, skulle de i hög grad kunna bidra till den nuvarande förståelsen av nanobubblor. I grund och botten tyder deras fynd på att Laplace Pressure Bubble Catastrophe inte existerar, eftersom tidigare observerade "nanobubblor" istället är "nanobubblor" eller alternativa strukturer som härrör från klatrathydrater i experimentellt använda gaser.
"Vi bygger nu en experimentell apparat som gör att vi kan se inuti cellen och observera nanobubblorna vid högt tryck," sa Ruiz Suarez. "Vi skulle vilja se deras utveckling när vi minskar trycket och ögonblicket när de blir klatrathydrater. Samtidigt studerar vi också andra viktiga gaser som syre och koldioxid." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
