En ny eksperimentel undersøgelse tackler nanoboblernes uløste mysterium

Nanobobler er ekstremt små (dvs. nanoskopiske) gasformige hulrum, som nogle fysikere observerede i vandige opløsninger, typisk efter at specifikke stoffer blev opløst i dem. Mens nogle undersøgelser rapporterede observation af disse utroligt små bobler, har nogle videnskabsmænd hævdet, at de blot er faste eller olieagtige rester dannet under eksperimenter.

Forskere ved Centro de Investigación y de Estudios Avanzados Unidad Monterrey og Centro de Investigación en Matemáticas Unidad Monterrey i Mexico har for nylig udført et eksperiment med det formål yderligere at undersøge arten af ​​disse undvigende og mystiske objekter, specielt når xenon og krypton blev opløst i vand. Deres undersøgelse, omtalt i Physical Review Letters , identificerede dannelsen af ​​det, holdet omtaler som "nanoblobs", men fandt ingen tegn på nanobobler.

"Vores mål var at skabe xenon- og krypton-nanobobler ved hjælp af en ren metode," fortalte Carlos Ruiz Suarez, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Jeg må sige, at mange forskere hævder, at nanobobler, på trods af deres anvendelse i mange applikationer, ikke eksisterer. Det menes snarere, at de er olie/faste forureninger dannet under eksperimenterne."

For at løse "mysteriet" med nanobobler udtænkte Ruiz Suarez og hans kolleger en "ren" metode, der teoretisk skulle have givet dem mulighed for at producere "rigtige" nanobobler. Denne metode indebar, at de to ædelgasser xenon og krypton blev opløst i vand, ved at påføre dem højt tryk, og derefter fjerne trykket og inspicere den resulterende væske.

Holdet vurderede resultaterne af denne procedure i både molekylær dynamik simuleringer (MDS'er) og laboratorieeksperimenter. Mens de faktisk observerede nanoboblelignende partikler, blev de, da de analyserede disse partikler, overraskede over at finde ud af, at disse højst sandsynligt var gas-vand amorfe strukturer, snarere end gasformige bobler.

"For at samle de ædle atomer for at danne kerne til bobler, var vi nødt til at øge deres koncentrationer i vandmediet," forklarede Ruiz Suarez. "Ved at udføre MDS'er fandt vi ud af, at de korrekte proportioner mellem vandmolekyler og de ædle atomer var omkring 30 vandmolekyler/atom. Derfor var vi nødt til at bygge en højtrykscelle for at tvinge atomerne til at opløses i vand ved at skubbe gassen ind i ."

Xenon og krypton er to hydrofobe gasser. Det betyder, at de kun kan trænge ind i vand og vandige opløsninger under højt tryk (over 360 bar eller atmosfære). Når de kommer ind i vandet, kan de imidlertid binde sig til hinanden gennem hydrofobe og van der Waals-kræfter.

"Der er i øjeblikket ingen måde at se inde i cellen, men vi antog, at boblerne eksisterede, fordi vi troede på vores MDS," sagde Ruiz Suarez. "Det næste skridt i vores arbejde var at tage trykket af prøven og se boblerne. Men til vores store overraskelse var der ingen bobler, men noget andet:nanostrukturer dannet af gas og vand, som vi kaldte nanoblobs. Det er sui generis strukturer der giver anledning til clathrates-hydrater."

Eksistensen af ​​nanobobler forbliver et omdiskuteret emne i partikelfysik, og det seneste arbejde fra disse forskere kan hjælpe med at løse dette mysterium. Ligesom xenon og krypton kan mange andre gasser, der bruges til at danne nanobobler, også danne clathrathydrater (dvs. vandstrukturer med molekyler indeni dem). Samlet set tyder holdets resultater således på, at hvad mange tidligere undersøgelser identificerede som "nanobobler" i stedet kunne være disse amorfe nanostrukturer dannet af clathrathydrater.

"Det er vigtigt at bemærke, at når en eksisterende fysisk teori ikke kan forklare eksperimentelle resultater, kan fysikere lide at nævne det som en katastrofe," sagde Ruiz Suarez. "Da nanobobler har højt tryk inde i dem (jo mindre de er, jo højere er trykket), siger teorien, at deres levetid er meget kort (i størrelsesordenen mikrosekunder). Observationer afslørede imidlertid, at de eksisterer meget længere, så dette har været kaldet Laplace Pressure Bubble Catastrophe."

Hvis resultaterne indsamlet af dette hold af forskere er valide og pålidelige, kan de i høj grad bidrage til den nuværende forståelse af nanobobler. I det væsentlige tyder deres resultater på, at Laplace Pressure Bubble Catastrophe ikke eksisterer, da tidligere observeret "nanobubbles" i stedet er "nanobobbler" eller alternative strukturer som følge af clathrathydrater i eksperimentelt brugte gasser.

"Vi bygger nu et eksperimentelt apparat, der vil give os mulighed for at se inde i cellen og observere nanoboblerne ved højt tryk," sagde Ruiz Suarez. "Vi vil gerne se deres udvikling, når vi mindsker trykket og det øjeblik, hvor de bliver til clathrathydrater. I mellemtiden studerer vi også andre vigtige gasser som oxygen og kuldioxid." + Udforsk yderligere

Mysteriet med nanoboblerne løst

© 2022 Science X Network