Nanobubblor kan existera på fasta ytor eller i bulkvätskor som nanoskopiska gasformiga domäner. Fenomenet har väckt stor uppmärksamhet på grund av den långa (meta) stabiliteten och potentialen för praktiska tillämpningar. I en ny rapport, Mohammad Reza Ghaani och ett team av forskare inom kemi och bioprocessteknik i Irland och Kanada använde en ny metod för att utforska ytan på elektrostatisk nanobubbla (NB). De observerade konstruktionernas stabilitet genom att applicera externa elektriska fält i gas-vätskesystem för att observera massivt gasupptag i vätskan i nanobubbla. Under en tid som varar månader, gaslösligheten förbättrad från 2,5 gånger för syre till 30 gånger för metan, baserat på Henry's Law -värden för gaslöslighet - dvs. ju mer hydrofob gasen är, desto större intag. Med hjälp av molekylära dynamiska lösningar, Ghaani et al. avslöjade ursprunget för NB:s rörelse till följd av dielektrofores, medan den väsentliga stabiliteten för NB härrörde från ytpolarisationsinteraktioner. Arbetet publiceras nu den Vetenskapliga framsteg .

Nanobubblor är nanoskopiska gasformar som kan existera på fasta ytor eller i bulkvätskor. Bulk NB kan förekomma i de flesta vattenlösningar på grund av konstant omrörning och kosmisk strålning - vilket lockar stor uppmärksamhet för applikationer inom nanoskopisk rengöring, för att kontrollera gränsglidning i mikrofluidik, avloppsrening, heterokoagulering och medicin. Forskare berömmer den långlivade närvaron av NB till negativ laddningsuppbyggnad vid bubblan/vätskegränssnittet och en stark elektronaffinitet vid ytan. Oberoende av NB -diametern, den ömsesidiga avstötningen mellan NB i vatten är tillräckligt stor för att förhindra koalescens och sakta upp flytkraften. Forskare kan reglera storleken på NB i närvaro av ytaktiva medel och använda resulterande belagda bubblor som ultraljuds kontrastmedel eller för riktad läkemedelsleverans.

I det här arbetet, Ghaani et al. tacklade grundläggande faktorer som styr NB:s pH-, jon- och magnetfältskänslig natur, inklusive ytelektrostatik. De syftade till att avgöra om externt applicerade elektriska fält kunde manipulera, diktera, kontrollera och förbättra NB -bildning. Om sådana yttre krafter hade effekt, de undersökte deras energikostnad och elektroinducerade förändringar. När laget använde låg elektrisk energi, de observerade massiv och snabb förbättring av metastabilt NB -gasutrymme i vatten. Forskarna undersökte om först-i-studien resultaten för NB-generation inträffade i bulkvätskan eller vid vätskegränssnittet och identifierade fenomenet att bero på bulk-NB med hjälp av ett bulk-sonderande NB-detekterings-/diagnostikverktyg.

Teamet placerade initialt avjoniserat vatten i ett tryckkärl och matade ren gas till ~ 90 bar, stängde kärlet och reglerade systemets temperatur. När installationen nådde Henry's Law gaslöslighetsnivå inom två timmar, de aktiverade ett externt ihållande statiskt elektriskt fält inuti det flytande vattnet med hjälp av en 60 V likströmskälla (DC). Inom tre timmar eller mindre, de uppnådde kraftigt förhöjd gasupptagningsplatå i vattnet och noterade att ett flöde av gasmolekyler bildar bulkgasfasen i vätskan under NB -bildning, gör att trycket sjunker. Jämförelsevis, energin som krävdes för att bilda NBs med elektriska fält var extremt låg och pekade på utomordentligt höga energieffektivitetsnivåer.

Till exempel, energin som krävs för att bilda NBs motsvarade 0,3 W timme/m ³ ; mycket lägre än i avancerade system som avloppsvattenindustrin (~ 40 W timme/m ³ ). Vidare, medan luftning av avloppsvatten normalt tillåter ~ 1 till 2 mg/liter löst syre, laget uppnådde ~ 25 till 35 mg/liter löst syre med NB som var metastabila i månader. Med användning av ingen jämvikt molekylär dynamik (NEMD) Ghaani et al. undersökte sedan de bakomliggande molekylära mekanismerna bakom den häpnadsväckande gasutrymmet som observerades experimentellt i vatten. Det visade sig att ju mer hydrofob gasen är, ju mer accentuerad den elektriska fälteffekten för att förstärka den massiva ökningen av förmågan att bilda bulk -NB. Resultaten föreslog också att NB -bildning kanske var kinetiskt dominerad.

Teamet körde sedan NEMD (noquilibrium molecular dynamics) simuleringar för både propan och metan i vatten och observerade liknande resultat för båda gaserna. Under simuleringen Ghaani et al. applicerade externa fält med mycket större intensitet än de som användes för experimenten för att observera trovärdiga resultat med minimalt signal-brusförhållande, för mer än miljoner atom-NEMD, som sträcker sig över tiotals nanosekunder. De mer intensiva fälten främjade lätt NB -bildning med högre ytarea i simuleringen.

Eftersom den långlivade NB-stabiliteten är välkänd, laget studerade metastabiliteten för NB:er efter fältborttagning och exponering för omgivande tryck. För att förstå om NB är lokaliserade på ytan eller distribueras i bulk, laget använde dispersiv ljusspridning (DLS) som en massprobningsmetod och detekterade NB genom hela vätskan. Dock, forskarna noterade också ovanligt övergående mikro-till-makrostora bubblor vid polytetrafluoretylen (PTFE) ytan i systemet som föddes av nanomikronskala bubblukärnbildning efter applicering av ett elektriskt fält. Ghaani et al. observerade överskottet av syrevatten/gas lokaliserade bubblor för att destabilisera mekaniskt inom sex timmar, medan begränsad bulkbubbleförlust inträffade efter sex till 50 timmar. Efter en period på fyra månader, de återstående NBs förstorade i storlek mätt med DLS (dispersiv ljusspridning).

På det här sättet, Mohammad Reza Ghaani och kollegor observerade först i studien bevis på bulk-NB-bildning med större förbättring för fler hydrofoba gaser. Upptäckten kommer att ha stor inverkan vid jäsning, bryggnings- och avloppsreningsindustrier. Teamet föreslår ytterligare arbete för att förstå mekanismerna bakom kinetiken för NB -generationen samt NB -stabilisering därefter. Forskargruppen insåg "nanoporösa vätskor" i detta arbete på grund av närvaron av porösa eller "håliga" vätskor med gas -NB på ett enkelt och enkelt sätt.

© 2020 Science X Network