Massiv generering af metastabile bulk nanobobler i vand af eksterne elektriske felter

Nanobobler kan eksistere på faste overflader eller i bulkvæsker som nanoskopiske gasdomæner. Fænomenet har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af den langvarige (meta)stabilitet og potentiale for praktiske anvendelser. I en ny rapport, Mohammad Reza Ghaani og et team af forskere inden for kemi og bioprocesteknik i Irland og Canada brugte en ny tilgang til at udforske overfladen af ​​dannelse af elektrostatiske nanobobler (NB). De observerede stabiliteten af ​​konstruktionerne ved at anvende eksterne elektriske felter i gas-væske-systemer for at observere massiv gasoptagelse i væsken i nanobobleform. I en periode, der varer måneder, gasopløseligheden øget fra 2,5 gange for oxygen til 30 gange for metan, baseret på Henrys lov-værdier for gasopløselighed - dvs. jo mere hydrofob gassen er, jo større indtag. Brug af molekylær dynamikløsninger, Ghaani et al. afslørede oprindelsen af ​​NB's bevægelse som følge af dielektroforese, mens den væsentlige stabilitet af NB opstod fra overfladepolariseringsinteraktioner. Værket er nu udgivet på Videnskabens fremskridt .

Nanobobler er nanoskopiske gasformer, der kan eksistere på faste overflader eller i bulkvæsker. Bulk NB'er kan være til stede i de fleste vandige opløsninger på grund af konstant omrøring og kosmisk stråling - hvilket tiltrækker betydelig opmærksomhed for applikationer inden for nanoskopisk rengøring, at kontrollere grænseglidning i mikrofluidik, spildevandsrensning, heterokoagulation og medicin. Forskere krediterer den langvarige tilstedeværelse af NB'er for opbygning af negativ ladning ved boble/væske-grænsefladen og en stærk elektronaffinitet ved overfladen. Uafhængigt af NB-diameteren, den gensidige frastødning mellem NB'er i vand er stor nok til at forhindre sammensmeltning og bremse stigningen af ​​opdrift. Forskere kan regulere størrelsen af ​​NB'er i nærvær af overfladeaktive midler og bruge resulterende coatede bobler som ultralydskontrastmidler eller til målrettet lægemiddellevering.

I dette arbejde, Ghaani et al. tacklet grundlæggende faktorer, der styrer NB's pH-, ionisk og magnetisk feltfølsom natur, inklusive overfladeelektrostatik. De havde til formål at afgøre, om eksternt påførte elektriske felter kunne manipulere, diktere, kontrollere og forbedre NB-dannelsen. Hvis sådanne ydre kræfter havde en effekt, de undersøgte deres energiomkostninger og elektro-inducerede ændringer. Da holdet anvendte lav elektrisk energi, de observerede massiv og hurtig forbedring af metastabil NB-gasindkvartering i vand. Forskerne undersøgte, om de første resultater for NB-generering forekom i bulkvæsken eller ved væskegrænsefladen og identificerede fænomenet til at skyldes bulk NB'er ved hjælp af et bulk-probing NB-detektions-/diagnostisk værktøj.

Holdet placerede oprindeligt deioniseret vand i en trykbeholder og tilførte ren gas til ~90 bar, lukkede beholderen og regulerede systemets temperatur. Da opsætningen nåede Henry's Laws gasopløselighedsniveau inden for to timer, de aktiverede et eksternt vedvarende statisk elektrisk felt inde i det flydende vand ved hjælp af en 60 V jævnstrømskilde (DC). Inden for tre timer eller mindre, de opnåede et stærkt forhøjet gasoptagelsesplateau i vandet og bemærkede en flux af gasmolekyler, der danner bulkgasfasen i væsken under NB-dannelse, får trykket til at falde. Forholdsvis, den nødvendige energi til at danne NB'er ved hjælp af elektriske felter var ekstremt lav og pegede på ekstraordinært høje niveauer af energieffektivitet.

For eksempel, den energi, der kræves for at danne NB'er, var lig med 0,3 W time/m ³ ; meget lavere end i avancerede systemer såsom spildevandsindustrien (~40 W time/m ³ ). Desuden, mens spildevandsbeluftning typisk tillod ~1 til 2 mg/liter opløst oxygen, holdet opnåede ~25 til 35 mg/liter opløst oxygen med NB'er, der var metastabile i måneder. Ved hjælp af nonequilibrium molecular dynamics (NEMD) Ghaani et al. undersøgte derefter de underliggende molekylære mekanismer bag den opsigtsvækkende gasindkvarteringsstigning observeret eksperimentelt i vand. Det så ud til, at jo mere hydrofob gassen var, jo mere accentueret den elektriske felteffekt for at forstærke den massive stigning i evnen til at danne bulk NB'er. Resultaterne antydede også, at NB-dannelse kunne være kinetisk domineret.

Holdet kørte derefter NEMD (non-quilibrium molecular dynamics) simuleringer for både propan og metan i vand og observerede lignende resultater for begge gasser. Under simuleringen, Ghaani et al. anvendte eksterne felter med meget større intensitet end dem, der blev brugt til eksperimenterne for at observere troværdige resultater med minimalt signal-til-støj-forhold, for mere end millionatomers NEMD, spænder over snesevis af nanosekunder. De mere intense felter fremmede let NB-dannelse med højere overfladeareal i simuleringen.

Da den langlivede NB-stabilitet er velkendt, holdet undersøgte metastabiliteten af ​​NB'er efter feltfjernelse og eksponering for omgivende tryk. For at forstå, om NB'er er lokaliseret ved overfladen eller fordelt i bulk, holdet brugte dispersive light scattering (DLS) som en bulk-probing-metode og detekterede NB'er i hele bulkvæsken. Imidlertid, forskerne bemærkede også usædvanligt forbigående mikro-til-makro-størrelse bobler på polytetrafluorethylen (PTFE) overfladen i systemet født af nano- til mikron-skala boble nukleation efter påføring af et elektrisk felt. Ghaani et al. observerede overskydende ilt vand/gas lokaliserede bobler til at destabilisere mekanisk inden for seks timer, mens begrænset bulk-bobletab opstod efter seks til 50 timer. Efter en periode på fire måneder, de resterende NB'er forstørret i størrelse målt med DLS (dispersiv lysspredning).

På denne måde Mohammad Reza Ghaani og kolleger observerede første-i-studie beviser for bulk-NB-dannelse med større forbedring for mere hydrofobe gasser. Opdagelsen vil have stor betydning for gæring, bryggeri- og spildevandsbehandlingsindustrien. Holdet foreslår yderligere arbejde for at forstå mekanismerne bag kinetikken for NB-generering samt NB-stabilisering derefter. The research team realized "nanoporous liquids" in this work due to the presence of porous or "holey" liquids with gas NBs in a simple and facile manner.

© 2020 Science X Network