Esquema de nanoburbujas de Xe obtenidas por Molecular Dynamics Simulations. El evento de formación corresponde a una alta concentración de Xe (alrededor de 30 moléculas de agua por átomo). Crédito:Jaramillo-Granada, Reyes-Figueroa y Ruiz-Suárez.
Las nanoburbujas son cavidades gaseosas extremadamente pequeñas (es decir, nanoscópicas) que algunos físicos observaron en soluciones acuosas, generalmente después de que se disolvieran en ellas sustancias específicas. Si bien algunos estudios informaron la observación de estas burbujas increíblemente diminutas, algunos científicos han argumentado que son simplemente residuos sólidos o aceitosos formados durante los experimentos.
Investigadores del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados Unidad Monterrey y del Centro de Investigación en Matemáticas Unidad Monterrey en México han llevado a cabo recientemente un experimento destinado a investigar más a fondo la naturaleza de estos esquivos y misteriosos objetos, específicamente cuando el xenón y el criptón se disolvieron en agua. Su estudio, presentado en Physical Review Letters , identificó la formación de lo que el equipo llama "nanomanchas", pero no encontró evidencia de nanoburbujas.
"Nuestro objetivo era crear nanoburbujas de xenón y criptón utilizando un método limpio", dijo a Phys.org Carlos Ruiz Suárez, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Debo decir que muchos científicos afirman que las nanoburbujas, a pesar de su uso en muchas aplicaciones, no existen. Más bien, se piensa que son contaminantes sólidos o de aceite que se forman durante los experimentos".
Para resolver el "misterio" de las nanoburbujas, Ruiz Suárez y sus colegas idearon un método "limpio" que teóricamente debería haberles permitido producir nanoburbujas "reales". Este método implicaba disolver los dos gases nobles xenón y criptón en agua, aplicándoles alta presión y luego despresurizando e inspeccionando el líquido resultante.
El equipo evaluó los resultados de este procedimiento tanto en simulaciones de dinámica molecular (MDS) como en experimentos de laboratorio. Si bien observaron partículas parecidas a nanoburbujas, cuando analizaron estas partículas se sorprendieron al descubrir que lo más probable era que fueran estructuras amorfas de gas y agua, en lugar de burbujas gaseosas.
“Para juntar los átomos nobles para nuclearlos en burbujas, necesitábamos aumentar sus concentraciones en el medio acuoso”, explica Ruiz Suárez. "Al realizar MDS, descubrimos que las proporciones correctas entre las moléculas de agua y los átomos nobles eran de alrededor de 30 moléculas de agua/átomo. Por lo tanto, necesitábamos construir una celda de alta presión para forzar a los átomos a disolverse en agua empujando el gas hacia adentro. ."
Experimento de centrifugación y tiempo de llegada de los coloides a la superficie del agua en función de la diferencia de densidad. Cuando esto es cero, el tiempo diverge. Crédito:Jaramillo-Granada, Reyes-Figueroa &Ruiz-Suarez, PRL (2022).
El xenón y el criptón son dos gases hidrofóbicos. Esto significa que solo pueden entrar en agua y soluciones acuosas bajo altas cantidades de presión (más de 360 bares o atmósferas). Sin embargo, una vez que ingresan al agua, pueden unirse entre sí a través de fuerzas hidrofóbicas y de van der Waals.
“Actualmente no hay forma de ver dentro de la celda, pero supusimos que las burbujas existían porque creíamos en nuestros MDS”, dijo Ruiz Suárez. “El siguiente paso de nuestro trabajo fue despresurizar la muestra y ver las burbujas. Sin embargo, para nuestra gran sorpresa, no había burbujas, sino algo más:nanoestructuras formadas por gas y agua, a las que llamamos nanoblobs. Son estructuras sui generis. que dan lugar a clatratos hidratados."
La existencia de nanoburbujas sigue siendo un tema debatido en la física de partículas y el trabajo reciente de estos investigadores podría ayudar a resolver este misterio. Al igual que el xenón y el criptón, muchos otros gases utilizados para formar nanoburbujas también pueden formar hidratos de clatrato (es decir, estructuras de agua con moléculas en su interior). En general, los hallazgos del equipo sugieren que lo que muchos estudios previos identificaron como "nanoburbujas" podrían ser estas nanoestructuras amorfas formadas por hidratos de clatrato.
“Es importante remarcar que cuando una teoría física existente no puede explicar los hallazgos experimentales, a los físicos les gusta nombrarlo como una catástrofe”, dijo Ruiz Suárez. "Dado que las nanoburbujas tienen alta presión en su interior (cuanto más pequeñas son, mayor es la presión), la teoría dice que su vida útil es muy corta (del orden de microsegundos). Sin embargo, las observaciones revelaron que existen durante mucho más tiempo, por lo que esto ha sido llamada la catástrofe de la burbuja de presión de Laplace".
Si los hallazgos recopilados por este equipo de investigadores son válidos y confiables, podrían contribuir en gran medida a la comprensión actual de las nanoburbujas. Esencialmente, sus hallazgos sugieren que la catástrofe de la burbuja de presión de Laplace no existe, ya que las "nanoburbujas" observadas anteriormente son en su lugar "nanomanchas" o estructuras alternativas resultantes de hidratos de clatrato en gases utilizados experimentalmente.
“Ahora estamos construyendo un aparato experimental que nos permitirá ver dentro de la célula y observar las nanoburbujas a alta presión”, dijo Ruiz Suárez. “Nos gustaría ver su evolución cuando disminuimos la presión y el momento en que se convierten en hidratos de clatrato. Mientras tanto, también estamos estudiando otros gases importantes como el oxígeno y el dióxido de carbono”.
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