Nanobellen kunnen voorkomen op vaste oppervlakken of in bulkvloeistoffen als nanoscopische gasvormige domeinen. Het fenomeen heeft veel aandacht gekregen vanwege de langdurige (meta)stabiliteit en het potentieel voor praktische toepassingen. In een nieuw rapport Mohammad Reza Ghaani en een team van onderzoekers in de chemie en bioprocestechnologie in Ierland en Canada gebruikten een nieuwe benadering om het oppervlak van de vorming van elektrostatische nanobellen (NB) te onderzoeken. Ze observeerden de stabiliteit van de constructies door externe elektrische velden toe te passen in gas-vloeistofsystemen om massale gasopname in de vloeistof in nanobellenvorm te observeren. Gedurende een periode van maanden, de gasoplosbaarheid verbeterd van 2,5 maal voor zuurstof tot 30 maal voor methaan, gebaseerd op Henry's Law-waarden voor gasoplosbaarheid, d.w.z. hoe hydrofober het gas, hoe groter de inname. Met behulp van moleculaire dynamische oplossingen, Ghaani et al. onthulde de oorsprong van de beweging van NB als gevolg van diëlektroforese, terwijl de substantiële stabiliteit van NB voortkwam uit oppervlakte-polarisatie-interacties. Het werk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Nanobellen zijn nanoscopische gasvormige vormen die kunnen voorkomen op vaste oppervlakken of in bulkvloeistoffen. Bulk NB's kunnen in de meeste waterige oplossingen aanwezig zijn vanwege constante agitatie en kosmische straling - wat veel aandacht trekt voor toepassingen in nanoscopische reiniging, om grensverschuiving in microfluïdica te beheersen, afvalwater behandeling, heterocoagulatie en geneeskunde. Wetenschappers schrijven de langlevende aanwezigheid van NB's toe aan de opbouw van negatieve lading aan het bubbel/vloeistof-grensvlak en een sterke elektronenaffiniteit aan het oppervlak. Onafhankelijk van de NB-diameter, de onderlinge afstoting tussen NB's in water is groot genoeg om samensmelting te voorkomen en de stijging van het drijfvermogen te vertragen. Wetenschappers kunnen de grootte van NB's reguleren in de aanwezigheid van oppervlakteactieve stoffen en de resulterende gecoate bubbels gebruiken als ultrasone contrastmiddelen of voor gerichte medicijnafgifte.

In dit werk, Ghaani et al. fundamentele factoren aangepakt die de pH-, ionische en magnetische veldgevoelige aard, inclusief oppervlakte-elektrostatica. Ze wilden bepalen of extern aangelegde elektrische velden zouden kunnen manipuleren, dicteren, controle en verbetering van NB-vorming. Als zulke externe krachten een effect hadden, ze onderzochten hun energiekosten en elektro-geïnduceerde veranderingen. Toen het team lage elektrische energie toepast, ze observeerden een enorme en snelle verbetering van de accommodatie van metastabiel NB-gas in water. De wetenschappers onderzochten of de eerste-in-studie-resultaten voor NB-generatie zich voordeden in de bulkvloeistof of op het vloeistofgrensvlak en identificeerden het fenomeen dat te wijten was aan bulk-NB's met behulp van een bulksonderende NB-detectie / diagnosetool.

Het team plaatste eerst gedeïoniseerd water in een drukvat en voerde zuiver gas toe tot ~90 bar, sloot het vat en regelde de temperatuur van het systeem. Toen de opstelling binnen twee uur het gasoplosbaarheidsniveau van Henry bereikte, ze activeerden een extern aanhoudend statisch elektrisch veld in het vloeibare water met behulp van een 60 V gelijkstroombron (DC). Binnen drie uur of minder, ze bereikten een sterk verhoogd gasopnameplateau in het water en merkten een flux van gasmoleculen op die de bulkgasfase in de vloeistof vormen tijdens NB-vorming, waardoor de druk daalt. Ter vergelijking, de energie die nodig was om NB's te vormen met behulp van elektrische velden was extreem laag en wees op buitengewoon hoge niveaus van energie-efficiëntie.

Bijvoorbeeld, de energie die nodig is om NB's te vormen was gelijk aan 0,3 W uur/m ³ ; veel lager dan die in geavanceerde systemen zoals afvalwaterindustrieën (~40 W uur/m ³ ). Verder, terwijl afvalwaterbeluchting typisch ~1 tot 2 mg/liter opgeloste zuurstof toestond, het team bereikte ~ 25 tot 35 mg / liter opgeloste zuurstof met NB's die maandenlang metastabiel waren. Met behulp van niet-evenwichtsmoleculaire dynamica (NEMD) Ghaani et al. onderzocht vervolgens de onderliggende moleculaire mechanismen achter de verbazingwekkende toename van de gasaccommodatie die experimenteel in water werd waargenomen. Het bleek dat hoe hydrofober het gas, hoe sterker het elektrische veldeffect om de enorme toename van het vermogen om bulk-NB's te vormen, te versterken. De resultaten suggereerden ook dat NB-vorming kinetisch gedomineerd zou kunnen worden.

Het team voerde vervolgens NEMD-simulaties (niet-evenwichtsmoleculaire dynamica) uit voor zowel propaan als methaan in water en observeerde vergelijkbare resultaten voor beide gassen. Tijdens de simulatie, Ghaani et al. toegepaste externe velden met een veel grotere intensiteit dan die gebruikt voor de experimenten om geloofwaardige resultaten te observeren met een minimale signaal-ruisverhouding, voor meer dan miljoen atoom NEMD, tientallen nanoseconden omspannen. De meer intense velden bevorderden gemakkelijk NB-vorming met een groter oppervlak in de simulatie.

Aangezien de langlevende NB-stabiliteit bekend is, het team bestudeerde de metastabiliteit van NB's na veldverwijdering en blootstelling aan omgevingsdruk. Om te begrijpen of NB's aan de oppervlakte zijn gelokaliseerd of in bulk worden gedistribueerd, het team gebruikte dispersieve lichtverstrooiing (DLS) als bulksondemethode en detecteerde NB's in de bulkvloeistof. Echter, de wetenschappers merkten ook ongewoon voorbijgaande bellen van micro- tot macro-formaat op aan het oppervlak van polytetrafluorethyleen (PTFE) in het systeem dat werd geboren uit bellennucleatie op nano- tot micronschaal na het aanleggen van een elektrisch veld. Ghaani et al. observeerde de overtollige zuurstof water/gas gelokaliseerde bellen om mechanisch te destabiliseren binnen zes uur, terwijl beperkt verlies van bulkbellen optrad na zes tot 50 uur. Na een periode van vier maanden, de overige NB's vergroot in grootte zoals gemeten met DLS (dispersieve lichtverstrooiing).

Op deze manier, Mohammad Reza Ghaani en collega's observeerden als eerste in de studie bewijs van bulk-NB-vorming met een grotere verbetering voor meer hydrofobe gassen. De ontdekking zal een grote impact hebben op de fermentatie, brouwerijen en afvalwaterzuiveringsindustrieën. Het team stelt verder werk voor om de mechanismen achter de kinetiek van NB-generatie en NB-stabilisatie daarna te begrijpen. 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 Wetenschap X Netwerk