Американские ученые разработали и проверили теорию, объясняющую, как наноразмерные пузырьки газов могут долгое время удерживаться в жидкостях. Экспериментальные данные подтвердили выдвинутую ими концепцию.
Химические реакции часто зависят от наличия газов, и один из методов их удержания в растворах – образование пузырьков. Нанопузырьки, размер которых значительно меньше диаметра человеческого волоса, удерживают газ внутри гораздо дольше, по сравнению с крупными пузырьками – в течение месяцев. Это увеличивает продолжительность протекания химических реакций.
«При использовании газа в растворах в промышленных масштабах важно снизить его потери и обеспечить максимальную эффективность для химических реакций. Главная задача заключается в том, чтобы газ как можно дольше оставался в растворе, в идеале — неограниченно долго, чтобы он не высвобождался и пузырьки не разрушались», — пояснил интерес группы к исследованию доктор Хамидреза Самуи ( Hamidreza Samouei).
Группа исследователей из Техасского университета A&M изучила причины стабильности нанопузырьков. Результаты их работы опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry.
Электрические заряды и их взаимодействие с растворителем играют ключевую роль в обеспечении стабильности нанопузырьков. Влияние на стабильность пузырьков оказывают также влияют добавки, присутствующие в растворе. Авторы статьи представили данные о нанопузырьках азота, кислорода, гелия, n-бутана и углекислого газа.
Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность разработанной химиками концепции. Полученные данные демонстрируют, что стабильность нанопузырьков определяется полярностью растворителя, величиной дипольного заряда и адсорбцией ионов добавок. Именно взаимодействие этих трех факторов оказывает решающее влияние на вероятность их слияния в более крупные, менее устойчивые структуры.
За счет способности нанопузырьков удерживать газ в растворе, они позволяют эффективно проводить очистку сточных вод, осуществлять гидропонное выращивание растений и выполнять дезинфекцию. Применение нанопузырьков в гидропонике дает возможность производителям получают больший урожай, чем если выращивают те же растения без внимания к размерам пузырьков газов. Нанопузырьки увеличивают содержание кислорода в воде, создавая оптимальные условия для роста многих культур.
Изучение стабильности нанопузырьков является важной составляющей масштабного научного исследования. Ученые вводят углекислый газ в солевые растворы для извлечения из них различных минералов. Этот метод, известный как добыча из рассолов, позволяет получать минералы, которые используются, например, в производстве литиевых батарей и магниевых удобрений. Исследователи поняли, как продлить срок жизни нанопузырьков, что поможет сделать их ключевым инструментом в добыче минералов из рассолов.