Vários instantâneos típicos de nanobolhas perdendo sua estabilidade com várias concentrações de surfactantes e níveis de interação com substratos. Em cada foto, o painel superior mostra a evolução do sistema com todas as partículas envolvidas, enquanto no painel inferior, as moléculas de solvente não são mostradas para esclarecer o efeito dos surfactantes. Crédito:Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, e Xianren Zhang
As nanobolhas recentemente ganharam popularidade por suas propriedades exclusivas e aplicações expansivas. Sua grande área de superfície e alta estabilidade em líquidos saturados tornam as nanobolhas candidatas ideais para a ciência alimentar, medicina e avanços ambientais. As nanobolhas também têm uma longa vida útil de horas ou dias, e maior aplicabilidade do que as macrobolhas tradicionais, que geralmente duram apenas alguns segundos.
A estabilidade das nanobolhas é bem compreendida, mas os mecanismos que causam sua eventual desestabilização ainda estão em questão. Usando simulações de dinâmica molecular (MDS), pesquisadores da Universidade de Tecnologia Química de Pequim exploraram o efeito dos surfactantes - componentes que reduzem a tensão superficial - na estabilização das nanobolhas. Eles relatam suas descobertas sobre os surpreendentes mecanismos de desestabilização para surfactantes solúveis e insolúveis esta semana em Cartas de Física Aplicada .
Os pesquisadores investigaram as diferenças entre surfactantes solúveis e insolúveis e sua influência variável na estabilidade das nanobolhas usando o software MDS. Eles criaram um sistema de modelo controlado onde as únicas variáveis que podiam ser manipuladas eram o número de surfactantes e a interação entre o surfactante e o substrato, a base do modelo onde a bolha é formada, para medir a influência direta dos surfactantes na estabilidade das nanobolhas.
Analisando surfactantes solúveis e insolúveis, o grupo se concentrou em dois possíveis mecanismos de desestabilização:depinning de linha de contato, onde a flexibilidade do surfactante reduz as forças responsáveis por estabilizar a forma da bolha, causando a ruptura por falta de força da superfície interna; e redução da tensão superficial, causando uma transição de fase de líquido para vapor.
(a) De cima para baixo, o modelo para solvente, surfactante solúvel e surfactante insolúvel, respectivamente. Para as moléculas de surfactante, pequenas contas laranja representam a cauda do surfactante (não polar, região hidrofóbica) e as contas verdes maiores representam a cabeça do surfactante (polar, região hidrofílica). (b) A configuração final para uma nanobolha estável é mostrada aqui com seções cinza representando moléculas líquidas, a área azul que representa o substrato superior e a área bronzeada que representa o substrato inferior. Crédito:Qianxiang Xiao, Yawei Liu, Zhenjiang Guo, Zhiping Liu, e Xianren Zhang
Os surfactantes solúveis encontrados iniciaram o depinning de nanobolhas quando em grande quantidade, cerca de 80 por cento, do surfactante foi adsorvido pelo substrato, eventualmente fazendo com que as nanobolhas explodissem.
"Contudo, quando pequenas concentrações de surfactante solúvel foram introduzidas, ele permaneceu dissolvido, e a adsorção no substrato foi insignificante, gerando um efeito insignificante na estabilidade das nanobolhas, "disse Xianren Zhang da Universidade de Tecnologia Química de Pequim.
Simulações com surfactantes insolúveis mostraram resultados comparáveis aos surfactantes solúveis ao interagir fortemente com substratos, mas um novo mecanismo foi descoberto demonstrando um modelo de transição de líquido para vapor de ruptura da bolha.
A transição é semelhante à forma como tradicionalmente imaginamos bolhas estourando, que ocorre quando um surfactante reduz significativamente a tensão superficial na parte externa da nanobolha. As nanobolhas se desestabilizam desta forma quando uma grande quantidade de surfactante está presente, mas ocorre pouca - cerca de 40 por cento - interação surfactante-substrato.
Essas descobertas são críticas para a compreensão da estabilidade das nanobolhas e têm implicações para a interação das nanobolhas com outras moléculas, incluindo proteínas e contaminantes. As aplicações de nanobolhas podem revolucionar aspectos da medicina moderna, como técnicas de ultrassom, expandir as funções na ciência alimentar, e melhorar o tratamento de águas residuais. Porém, uma melhor caracterização das propriedades básicas, como a instabilidade, é essencial para a plena utilização de seu potencial nessas aplicações.
