Varias instantáneas típicas de nanoburbujas que pierden su estabilidad con diversas concentraciones de tensioactivos y niveles de interacción con sustratos. En cada imagen, el panel superior muestra la evolución del sistema con todas las partículas involucradas, mientras que en el panel inferior, No se ha demostrado que las moléculas de disolvente aclaren el efecto de los tensioactivos. Crédito:Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, y Xianren Zhang
Las nanoburbujas han ganado popularidad recientemente por sus propiedades únicas y sus amplias aplicaciones. Su gran superficie y su alta estabilidad en líquidos saturados hacen que las nanoburbujas sean candidatos ideales para la ciencia de los alimentos. medicina y avances ambientales. Las nanoburbujas también tienen una vida útil prolongada de horas o días, y mayor aplicabilidad que las macroburbujas tradicionales, que normalmente solo duran unos segundos.
La estabilidad de las nanoburbujas es bien conocida, pero los mecanismos que causaron su eventual desestabilización aún están en duda. Usando simulaciones de dinámica molecular (MDS), Investigadores de la Universidad de Tecnología Química de Beijing exploraron el efecto de los tensioactivos, componentes que reducen la tensión superficial, en la estabilización de nanoburbujas. Informan sus hallazgos sobre los sorprendentes mecanismos de desestabilización de los tensioactivos tanto solubles como insolubles esta semana en Letras de física aplicada .
Los investigadores investigaron las diferencias entre los tensioactivos solubles e insolubles y su influencia variable en la estabilidad de las nanoburbujas utilizando el software MDS. Crearon un sistema de modelo controlado donde las únicas variables que podían manipularse eran la cantidad de tensioactivos y la interacción entre el tensioactivo y el sustrato. la base del modelo donde se forma la burbuja, para medir la influencia directa de los tensioactivos en la estabilidad de las nanoburbujas.
Analizar tensioactivos tanto solubles como insolubles, el grupo se centró en dos posibles mecanismos de desestabilización:desestabilización de la línea de contacto, donde la flexibilidad del surfactante reduce las fuerzas responsables de estabilizar la forma de la burbuja, haciendo que se rompa por falta de fuerza en la superficie interna; y reducción de la tensión superficial, provocando una transición de fase de líquido a vapor.
(a) De arriba a abajo, el modelo para solvente, tensioactivo soluble y tensioactivo insoluble, respectivamente. Para las moléculas de tensioactivo, pequeñas perlas de color naranja representan la cola de tensioactivo (no polar, región hidrófoba) y las perlas verdes más grandes representan la cabeza del tensioactivo (polar, región hidrófila). (b) La configuración final para una nanoburbuja estable se muestra aquí con secciones grises que representan moléculas líquidas, el área azul representa el sustrato superior y el área marrón representa el sustrato inferior. Crédito:Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, y Xianren Zhang
Los tensioactivos solubles encontrados iniciaron el depinado de nanoburbujas cuando una gran cantidad, aproximadamente el 80 por ciento, del tensioactivo fue adsorbido por el sustrato, eventualmente causando que las nanoburbujas exploten.
"Sin embargo, cuando se introdujeron pequeñas concentraciones de tensioactivo soluble, permaneció disuelto, y la adsorción sobre el sustrato fue insignificante, generando un efecto insignificante sobre la estabilidad de las nanoburbujas, ", dijo Xianren Zhang de la Universidad de Tecnología Química de Beijing.
Las simulaciones con tensioactivos insolubles mostraron resultados comparables a los tensioactivos solubles cuando interactúan fuertemente con sustratos, pero se descubrió un nuevo mecanismo que demuestra un modelo de transición de líquido a vapor de ruptura de burbujas.
La transición es similar a la forma en que tradicionalmente imaginamos burbujas estallando, ocurre cuando un surfactante reduce significativamente la tensión superficial en el exterior de la nanoburbuja. Las nanoburbujas se desestabilizan de esta manera cuando hay una gran cantidad de tensioactivo presente, pero se produce poca interacción (alrededor del 40 por ciento) entre el sustrato y el tensioactivo.
Estos hallazgos son fundamentales para comprender la estabilidad de las nanoburbujas y tienen implicaciones para la interacción de las nanoburbujas con otras moléculas. incluyendo proteínas y contaminantes. Las aplicaciones de nanoburbujas podrían revolucionar aspectos de la medicina moderna como las técnicas de ultrasonido, ampliar funciones en la ciencia de los alimentos, y mejorar el tratamiento de aguas residuales. Pero caracterizar mejor las propiedades básicas como la inestabilidad es esencial para aprovechar al máximo su potencial en estas aplicaciones.
