Popbobler:Overfladeaktive stoffer har en overraskende effekt på nanobobble -stabiliteten

Flere typiske snapshots for nanobubbler mister deres stabilitet med forskellige koncentrationer af overfladeaktive stoffer og niveauer af interaktion med substrater. På hvert billede, toppanel viser systemets udvikling med alle involverede partikler, i bundpanelet, opløsningsmiddelmolekyler er ikke vist at tydeliggøre virkningen af overfladeaktive stoffer. Kredit:Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, og Xianren Zhang

Nanobubbles har for nylig vundet popularitet for deres unikke egenskaber og ekspansive applikationer. Deres store overfladeareal og høje stabilitet i mættede væsker gør nanobobler ideelle kandidater til madvidenskab, medicin og miljøfremskridt. Nanobubbler har også lang levetid på timer eller dage, og større anvendelighed end traditionelle makrobobler, som typisk kun varer i sekunder.

Nanoboblernes stabilitet er godt forstået, men de mekanismer, der forårsager deres eventuelle destabilisering, er stadig i tvivl. Ved hjælp af molekylær dynamiksimuleringer (MDS), forskere fra Beijing University of Chemical Technology undersøgte effekten af overfladeaktive stoffer - komponenter, der sænker overfladespænding - på stabiliseringen af nanobubbler. De rapporterer deres fund om de overraskende destabiliseringsmekanismer for både opløselige og uopløselige overfladeaktive stoffer i denne uge Anvendt fysik bogstaver .

Forskere undersøgte forskellene mellem opløselige og uopløselige overfladeaktive stoffer og deres varierende indflydelse på nanobobstabilitet ved hjælp af MDS -software. De skabte et kontrolleret modelsystem, hvor de eneste variabler, der kunne manipuleres, var antallet af overfladeaktive stoffer og interaktionen mellem det overfladeaktive stof og substratet, bunden af modellen, hvor boblen dannes, at måle overfladeaktive stoffers direkte indflydelse på nanobobble -stabilitet.

Analyse af både opløselige og uopløselige overfladeaktive stoffer, gruppen fokuserede på to mulige destabiliseringsmekanismer:kontaktlinjedeponering, hvor overfladeaktivt fleksibilitet reducerer de kræfter, der er ansvarlige for at stabilisere bobleformen, får det til at briste på grund af mangel på indre overfladekraft; og reduktion af overfladespændinger, forårsager en overgang fra væske til dampfase.

(a) Fra top til bund, modellen til opløsningsmiddel, opløseligt overfladeaktivt stof og uopløseligt overfladeaktivt stof, henholdsvis. For de overfladeaktive molekyler, små orange perler repræsenterer overfladeaktive hale (upolær, hydrofob region) og de større grønne perler repræsenterer overfladeaktivt hoved (polar, hydrofil region). (b) Den endelige konfiguration for en stabil nanoboble er vist her med grå sektioner, der repræsenterer flydende molekyler, det blå område, der repræsenterer det øverste substrat, og det solbrune område, der repræsenterer det nederste substrat. Kredit:Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, og Xianren Zhang

De fundne opløselige overfladeaktive stoffer indledte nanobobler, der faldt, når en stor mængde, cirka 80 procent, af det overfladeaktive stof blev adsorberet af substratet, til sidst får nanobubblerne til at briste.

"Imidlertid, når små koncentrationer af opløseligt overfladeaktivt stof blev indført, forblev det opløst, og adsorption på substratet var ubetydelig, genererer en ubetydelig effekt på nanobobble -stabilitet, "sagde Xianren Zhang ved Beijing University of Chemical Technology.

Simuleringer med uopløselige overfladeaktive stoffer viste sammenlignelige resultater med opløselige overfladeaktive stoffer ved stærkt interaktion med substrater, men der blev opdaget en ny mekanisme, der demonstrerer en væske-til-damp-overgangsmodel for boblebrud.

Overgangen ligner, hvordan vi traditionelt forestiller os bobler, der dukker op, forekommer, når et overfladeaktivt middel reducerer overfladespændingen betydeligt på ydersiden af nanobubblen. Nanobobler destabiliserer på denne måde, når en stor mængde overfladeaktivt stof er til stede, men lidt-omkring 40 procent-interaktion mellem overfladeaktivt middel og substrat forekommer.

Disse fund er kritiske for at forstå nanobobble -stabilitet og har konsekvenser for nanobubble -interaktion med andre molekyler, herunder proteiner og forurenende stoffer. Nanobubble -applikationer kan revolutionere aspekter af moderne medicin såsom ultralydsteknikker, udvide funktioner inden for fødevarevidenskab, og forbedre rensning af spildevand. Men bedre karakterisering af grundlæggende egenskaber som ustabilitet er afgørende for fuldt ud at udnytte deres potentiale i disse applikationer.

Sidste artikelFjerde gravitationsbølge detekteres, med europæisk hjælp

Næste artikelAtomistiske simuleringer går distancen på metalstyrke