El aceite y el agua no se mezclan, pero un equipo de KAUST ha aprovechado las distintas interfaces entre estas sustancias para hacer que la generación de plasma en líquidos sea más eficiente. Este enfoque es prometedor para la síntesis de nanomateriales de alto rendimiento a partir de reactivos líquidos o para la eliminación controlada de parásitos transmitidos por el agua.

Las versiones familiares de plasmas en letreros de neón y pantallas de televisión utilizan estables, partículas cargadas en estado gaseoso. Pero cuando se produce en agua a partir de ráfagas de electricidad de nanosegundos, Los iones positivos en el plasma se enfrían significativamente en comparación con los electrones calientes energéticos. Las descargas no térmicas resultantes son capaces de transferir energía hacia o desde las moléculas circundantes, haciéndolos influyentes potenciales de reacciones químicas.

Ahmad Hamdan, investigador postdoctoral con Min Suk Cha, está trabajando para ampliar el impacto de los plasmas en líquido al reducir los requisitos típicos de voltaje de ruptura. Inicialmente, él y sus compañeros de trabajo inyectaron pequeñas burbujas de gas en líquidos para interrumpir el campo eléctrico habitual y crear regiones de intensidad amplificada para desgarrar las cargas. Desafortunadamente, esta estrategia tendía a atrapar los electrones calientes dentro de las burbujas, aislándolos de posibles objetivos químicos.

Estas investigaciones, sin embargo, reveló que los cambios en la permitividad dieléctrica, un parámetro que afecta cómo se propagan los campos eléctricos en los materiales, desempeñó un papel clave en la mejora del campo basada en burbujas. Hamdan se dio cuenta de que este fenómeno podría reproducirse sumergiendo un electrodo en dos líquidos con diferentes respuestas a los campos eléctricos:una capa de aceite de heptano de bajo dieléctrico sobre el agua, por ejemplo.

Optimizando la posición del electrodo dentro de la interfaz aceite-agua, Hamdan descubrió que podía generar plasmas en los líquidos con un 100% de probabilidad a voltajes inferiores a los normales. Es más, el plasma se propaga a lo largo de la interfaz con un aumento de cinco veces en el volumen de descarga.

"Esto es interesante porque el plasma es capaz de descomponer ambos líquidos sin erosionar el electrodo, ", señala Hamdan. Esto nos da la flexibilidad para intentar convertir una amplia gama de sustancias en nuevos nanomateriales".

Como demostración, el equipo reemplazó la capa de heptano con un aceite de hexametildisilazano que contiene silicio, átomos de nitrógeno e hidrocarburos. La aplicación de descargas eléctricas de nanosegundos a esta interfaz agua-aceite produjo nanopartículas de organosilicio a velocidades rápidas, varios miligramos por minuto, confinadas de manera segura dentro del medio líquido. El posprocesamiento adicional produjo especies lo suficientemente estables para dispositivos microelectrónicos de alta temperatura.

Importante para este trabajo fue la microscopía electrónica de transmisión proporcionada por Dalaver Anjum en el Laboratorio Central de Caracterización e Imágenes de KAUST. que resultó crucial para establecer relaciones entre nanopartículas de sílice de diferentes tamaños y sus propiedades dieléctricas. Es más, un prisma de electrones especial en el microscopio proporcionó el desglose elemento por elemento de las composiciones de nanopartículas individuales.

Las aplicaciones de este trabajo son amplias. "Hemos demostrado solo una parte de las posibles aplicaciones factibles, "dice Cha." Esta nueva idea puede extenderse a la purificación del agua, aplicaciones biomédicas, y mejora de combustibles líquidos de baja calidad; Seguiremos trabajando para que estas aplicaciones sean tangibles.