En ny eksperimentell studie takler det uløste mysteriet med “nanobobler”

Nanobobler er ekstremt små (dvs. nanoskopiske) gassformige hulrom som noen fysikere observerte i vandige løsninger, typisk etter at spesifikke stoffer ble oppløst i dem. Mens noen studier rapporterte observasjon av disse utrolig små boblene, har noen forskere hevdet at de bare er faste eller oljeaktige rester dannet under eksperimenter.

Forskere ved Centro de Investigación y de Estudios Avanzados Unidad Monterrey og Centro de Investigación en Matemáticas Unidad Monterrey i Mexico har nylig utført et eksperiment som tar sikte på å undersøke naturen til disse unnvikende og mystiske objektene, spesielt når xenon og krypton ble oppløst i vann. Studien deres, omtalt i Fysiske gjennomgangsbrevidentifiserte dannelsen av det teamet refererer til som “nanoblobs”, men fant ingen bevis for nanobobler.

“Målet vårt var å lage xenon- og krypton-nanobobler ved hjelp av en ren metode,” sa Carlos Ruiz Suarez, en av forskerne som utførte studien, til Phys.org. “Jeg må si at mange forskere hevder at nanobobler, til tross for deres bruk i mange applikasjoner, ikke eksisterer. Snarere antas det at de er olje/faste forurensninger dannet under eksperimentene.”

For å løse “mysteriet” med nanobobler, utviklet Ruiz Suarez og kollegene en “ren” metode som teoretisk sett skulle ha tillatt dem å produsere “ekte” nanobobler. Denne metoden innebar å løse opp de to edelgassene xenon og krypton i vann, ved å påføre høytrykk til dem, og deretter redusere trykket og inspisere den resulterende væsken.

Teamet vurderte resultatene av denne prosedyren i begge molekylær dynamikksimuleringer (MDS) og laboratorieforsøk. Mens de faktisk observerte nanoboblelignende partikler, ble de overrasket da de analyserte disse partiklene over å finne at dette mest sannsynlig var gass-vann amorfe strukturer, snarere enn gassformige bobler.

“For å bringe sammen de edle atomene for å danne atomer til bobler, trengte vi å øke konsentrasjonene deres i vannmediet,” forklarte Ruiz Suarez. “Ved å utføre MDS-er fant vi at de riktige proporsjonene mellom vannmolekyler og de edle atomene var rundt 30 vannmolekyler/atom. Derfor trengte vi å bygge en høytrykkscelle for å tvinge atomene til å løse seg opp i vann ved å skyve gassen inn.”

Xenon og krypton er to hydrofobe gasser. Det betyr at de kun kan gå i vann og vandige løsninger under høye mengder trykk (over 360 bar eller atmosfærer). Når de kommer inn i vann, kan de imidlertid binde seg til hverandre gjennom hydrofobe og van der Waals-krefter.

“Det er foreløpig ingen måte å se inne i cellen, men vi antok at boblene eksisterte fordi vi trodde på MDSene våre,” sa Ruiz Suarez. “Neste trinn i arbeidet vårt var å redusere trykket på prøven og se boblene. Til vår store overraskelse var det imidlertid ingen bobler, men noe annet: nanostrukturer dannet av gass og vann, som vi kalte nanoblober. Dette er sui generis-strukturer som gir opphav til klatrathydrater.”

Eksistensen av nanobobler er fortsatt et diskutert tema i partikkelfysikk og det nylige arbeidet til disse forskerne kan bidra til å løse dette mysteriet. Akkurat som xenon og krypton, kan mange andre gasser som brukes til å danne nanobobler også danne klatrathydrater (dvs. vannstrukturer med molekyler inni dem). Samlet sett tyder teamets funn på at det mange tidligere studier identifiserte som “nanobobler” i stedet kan være disse amorfe nanostrukturene dannet av klatrathydrater.

“Det er viktig å bemerke at når en eksisterende fysisk teori ikke kan forklare eksperimentelle funn, liker fysikere å kalle det en katastrofe,” sa Ruiz Suarez. “Siden nanobobler har høyt trykk inni seg (jo mindre de er, jo høyere er trykket), sier teorien at levetiden deres er veldig kort (i størrelsesorden mikrosekunder). Observasjoner avslørte imidlertid at de eksisterer mye lenger, så dette har vært kalt Laplace Pressure Bubble Catastrophe.”

Hvis funnene samlet av dette teamet av forskere er gyldige og pålitelige, kan de i stor grad bidra til den nåværende forståelsen av nanobobler. I hovedsak antyder funnene deres at Laplace Pressure Bubble Catastrophe ikke eksisterer, ettersom tidligere observert “nanobobler” i stedet er “nanoblober” eller alternative strukturer som er et resultat av klatrathydrater i eksperimentelt brukte gasser.

“Vi bygger nå et eksperimentelt apparat som lar oss se inne i cellen og observere nanoboblene ved høyt trykk,” sa Ruiz Suarez. “Vi vil gjerne se utviklingen deres når vi reduserer trykket og øyeblikket når de blir klatrathydrater. I mellomtiden studerer vi også andre viktige gasser som oksygen og karbondioksid.”

---

---

© 2022 Science X Network