Plusieurs instantanés typiques pour les nanobulles perdant leur stabilité avec diverses concentrations de tensioactifs et niveaux d'interaction avec les substrats. Dans chaque image, le panneau supérieur montre l'évolution du système avec toutes les particules impliquées, tandis que dans le panneau inférieur, il n'est pas démontré que les molécules de solvant clarifient l'effet des tensioactifs. Crédit :Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, et Xianren Zhang
Les nanobulles ont récemment gagné en popularité pour leurs propriétés uniques et leurs applications étendues. Leur grande surface et leur grande stabilité dans les liquides saturés font des nanobulles des candidats idéaux pour la science alimentaire, progrès de la médecine et de l'environnement. Les nanobulles ont également une longue durée de vie de quelques heures ou jours, et une plus grande applicabilité que les macrobulles traditionnelles, qui ne durent généralement que quelques secondes.
La stabilité des nanobulles est bien comprise, mais les mécanismes à l'origine de leur éventuelle déstabilisation sont toujours en question. En utilisant des simulations de dynamique moléculaire (MDS), des chercheurs de l'Université de technologie chimique de Pékin ont exploré l'effet des tensioactifs, des composants qui abaissent la tension superficielle, sur la stabilisation des nanobulles. Ils rapportent cette semaine leurs découvertes sur les mécanismes surprenants de déstabilisation des tensioactifs solubles et insolubles dans Lettres de physique appliquée .
Les chercheurs ont étudié les différences entre les tensioactifs solubles et insolubles et leur influence variable sur la stabilité des nanobulles à l'aide du logiciel MDS. Ils ont créé un système de modèle contrôlé où les seules variables qui pouvaient être manipulées étaient le nombre de tensioactifs et l'interaction entre le tensioactif et le substrat, la base du modèle où se forme la bulle, pour mesurer l'influence directe des tensioactifs sur la stabilité des nanobulles.
Analyser les tensioactifs solubles et insolubles, le groupe s'est concentré sur deux mécanismes possibles de déstabilisation :le dépilage des lignes de contact, où la souplesse du tensioactif réduit les forces responsables de la stabilisation de la forme de la bulle, provoquer sa rupture par manque de force de surface interne ; et la réduction de la tension superficielle, provoquant une transition de phase liquide à vapeur.
(a) De haut en bas, le modèle pour le solvant, tensioactif soluble et tensioactif insoluble, respectivement. Pour les molécules de tensioactif, les petites billes oranges représentent la queue du tensioactif (non polaire, région hydrophobe) et les plus grosses billes vertes représentent la tête du tensioactif (polaire, région hydrophile). (b) La configuration finale pour une nanobulle stable est montrée ici avec des sections grises représentant des molécules liquides, la zone bleue représentant le substrat supérieur et la zone beige représentant le substrat inférieur. Crédit :Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, et Xianren Zhang
Les tensioactifs solubles trouvés ont initié le dépinçage des nanobulles lorsqu'une grande quantité, environ 80 pour cent, du tensioactif a été adsorbé par le substrat, provoquant finalement l'éclatement des nanobulles.
"Toutefois, lorsque de petites concentrations de tensioactif soluble ont été introduites, il est resté dissous, et l'adsorption sur le substrat était insignifiante, générer un effet négligeable sur la stabilité des nanobulles, ", a déclaré Xianren Zhang de l'Université de technologie chimique de Pékin.
Les simulations avec des tensioactifs insolubles ont montré des résultats comparables à ceux des tensioactifs solubles lorsqu'ils interagissent fortement avec les substrats, mais un nouveau mécanisme a été découvert démontrant un modèle de transition liquide-vapeur de rupture de bulle.
La transition est similaire à la façon dont nous envisageons traditionnellement l'éclatement des bulles, se produisant lorsqu'un tensioactif réduit considérablement la tension superficielle à l'extérieur de la nanobulle. Les nanobulles se déstabilisent de cette façon lorsqu'une grande quantité de tensioactif est présente, mais il se produit peu d'interactions tensioactif-substrat (environ 40 pour cent).
Ces découvertes sont essentielles pour comprendre la stabilité des nanobulles et ont des implications pour l'interaction des nanobulles avec d'autres molécules, y compris les protéines et les contaminants. Les applications des nanobulles pourraient révolutionner des aspects de la médecine moderne tels que les techniques d'échographie, étendre les fonctions en science alimentaire, et améliorer le traitement des eaux usées. Mais une meilleure caractérisation des propriétés de base comme l'instabilité est essentielle pour utiliser pleinement leur potentiel dans ces applications.
