Schéma des nanobulles de Xe obtenues par Molecular Dynamics Simulations. L'événement de formation correspond à une forte concentration en Xe (environ 30 molécules d'eau par atome). Crédit :Jaramillo-Grenade, Reyes-Figueroa et Ruiz-Suarez.
Les nanobulles sont des cavités gazeuses extrêmement petites (c'est-à-dire nanoscopiques) que certains physiciens ont observées dans des solutions aqueuses, généralement après que des substances spécifiques y ont été dissoutes. Alors que certaines études ont rapporté l'observation de ces bulles incroyablement minuscules, certains scientifiques ont soutenu qu'il ne s'agissait que de résidus solides ou huileux formés lors d'expériences.
Des chercheurs du Centro de Investigación y de Estudios Avanzados Unidad Monterrey et du Centro de Investigación en Matemáticas Unidad Monterrey au Mexique ont récemment mené une expérience visant à étudier plus avant la nature de ces objets insaisissables et mystérieux, en particulier lorsque le xénon et le krypton étaient dissous dans l'eau. Leur étude, présentée dans Physical Review Letters , a identifié la formation de ce que l'équipe appelle des "nanoblobes", mais n'a trouvé aucune preuve de nanobulles.
"Notre objectif était de créer des nanobulles de xénon et de krypton en utilisant une méthode propre", a déclaré Carlos Ruiz Suarez, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Je dois dire que de nombreux scientifiques affirment que les nanobulles, malgré leur utilisation dans de nombreuses applications, n'existent pas. On pense plutôt qu'il s'agit de contaminants huileux/solides formés au cours des expériences."
Pour résoudre le "mystère" des nanobulles, Ruiz Suarez et ses collègues ont imaginé une méthode "propre" qui aurait théoriquement dû leur permettre de produire de "vraies" nanobulles. Cette méthode impliquait de dissoudre les deux gaz nobles xénon et krypton dans l'eau, en leur appliquant une haute pression, puis de dépressuriser et d'inspecter le liquide résultant.
L'équipe a évalué les résultats de cette procédure dans des simulations de dynamique moléculaire (MDS) et des expériences de laboratoire. Alors qu'ils ont effectivement observé des particules ressemblant à des nanobulles, lorsqu'ils ont analysé ces particules, ils ont été surpris de constater qu'il s'agissait très probablement de structures amorphes gaz-eau, plutôt que de bulles gazeuses.
"Pour rassembler les atomes nobles à nucléer dans des bulles, nous devions augmenter leurs concentrations dans le milieu aqueux", a expliqué Ruiz Suarez. "En réalisant des MDS, nous avons constaté que les proportions correctes entre les molécules d'eau et les atomes nobles étaient d'environ 30 molécules d'eau/atome. Ainsi, nous devions construire une cellule à haute pression pour forcer les atomes à se dissoudre dans l'eau en poussant le gaz à l'intérieur. ."
Expérience de centrifugation et durée d'arrivée des colloïdes à la surface de l'eau en fonction de la différence de densité. Lorsque celui-ci est nul, le temps diverge. Crédit :Jaramillo-Grenade, Reyes-Figueroa et Ruiz-Suarez, PRL (2022).
Le xénon et le krypton sont deux gaz hydrophobes. Cela signifie qu'ils ne peuvent entrer dans l'eau et les solutions aqueuses que sous des pressions élevées (plus de 360 bars ou atmosphères). Une fois qu'ils entrent dans l'eau, cependant, ils peuvent se lier les uns aux autres grâce aux forces hydrophobes et de van der Waals.
"Il n'y a actuellement aucun moyen de voir à l'intérieur de la cellule, mais nous avons supposé que les bulles existaient parce que nous croyions nos MDS", a déclaré Ruiz Suarez. "La prochaine étape de notre travail consistait à dépressuriser l'échantillon et à voir les bulles. Cependant, à notre grande surprise, il n'y avait pas de bulles, mais quelque chose d'autre :des nanostructures formées de gaz et d'eau, que nous avons appelées nanoblobs. Ce sont des structures sui generis. qui donnent naissance aux clathrates hydratés."
L'existence de nanobulles reste un sujet débattu en physique des particules et les travaux récents de ces chercheurs pourraient aider à résoudre ce mystère. Tout comme le xénon et le krypton, de nombreux autres gaz utilisés pour former des nanobulles peuvent également former des hydrates de clathrate (c'est-à-dire des structures d'eau avec des molécules à l'intérieur). Dans l'ensemble, les résultats de l'équipe suggèrent donc que ce que de nombreuses études antérieures ont identifié comme des "nanobulles" pourraient plutôt être ces nanostructures amorphes formées par des hydrates de clathrate.
"Il est important de remarquer que lorsqu'une théorie physique existante ne peut pas expliquer les résultats expérimentaux, les physiciens aiment la qualifier de catastrophe", a déclaré Ruiz Suarez. "Puisque les nanobulles ont une haute pression à l'intérieur (plus elles sont petites, plus la pression est élevée), la théorie dit que leur durée de vie est très courte (de l'ordre de la microseconde). Cependant, les observations ont révélé qu'elles existent depuis beaucoup plus longtemps, donc cela a été appelé la catastrophe de la bulle de pression de Laplace."
Si les résultats recueillis par cette équipe de chercheurs sont valides et fiables, ils pourraient grandement contribuer à la compréhension actuelle des nanobulles. Essentiellement, leurs découvertes suggèrent que la catastrophe des bulles de pression de Laplace n'existe pas, car les "nanobulles" observées précédemment sont plutôt des "nanoblobs", ou des structures alternatives résultant d'hydrates de clathrate dans des gaz utilisés expérimentalement.
"Nous construisons actuellement un appareil expérimental qui nous permettra de voir à l'intérieur de la cellule et d'observer les nanobulles à haute pression", a déclaré Ruiz Suarez. "Nous aimerions voir leur évolution lorsque nous diminuons la pression et le moment où ils deviennent des hydrates de clathrate. Parallèlement, nous étudions également d'autres gaz importants comme l'oxygène et le dioxyde de carbone."
© 2022 Réseau Science X Mystère des nanobulles résolu
