Pequenas bolhas vibratórias podem levar a um melhor tratamento da água
Esquema mostrando nanobolhas sendo empregadas em um canal microfluídico para aplicações de cavitação. As inserções mostram visualizações aprimoradas de (a) nanobolhas entrando em redes microfluídicas, que as microbolhas são grandes demais para serem alcançadas, (b) os jatos de alta velocidade liberados durante o estágio final de colapso, que foram propostos para as novas aplicações de cavitação mostradas, e (c ) nanobolhas sendo estimuladas a oscilar usando ultrassom de alta frequência, como em agentes de contraste de ultrassom. (d) Configuração de simulação de dinâmica molecular (MD) para nossas simulações de nanobolhas, forçada a oscilar usando um pistão vibratório, mostrado em uma visão fatiada. Os átomos de oxigênio são mostrados em vermelho, os átomos de hidrogênio em branco, os átomos de nitrogênio em ciano e os átomos de parede/pistão em cinza. A inserção mostra uma visão ortográfica do domínio tridimensional, com algumas moléculas de água na caixa tracejada removidas para maior clareza. Variação em (e) raio das nanobolhas R, (f) pressão média interna do gás P e (g) temperatura média interna do gás T, com o tempo t, para o caso de oscilação ω =25 rad/ns. Crédito:Nano Letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03052 Novas pesquisas sobre a física das nanobolhas vibrantes revelam que elas não aquecem tanto quanto se pensava anteriormente. O trabalho aparece em Nano Letters .
Nanobolhas vibratórias têm usos surpreendentes como agentes de contraste de ultrassom no diagnóstico de câncer. Eles também podem ser forçados a entrar em colapso – destruindo contaminantes microscópicos próximos – para tratamento de águas residuais e limpeza de superfícies de delicados dispositivos microfluídicos. A rigidez de uma nanobolha à medida que ela vibra está fortemente relacionada à sua temperatura interna, e ser capaz de compreender essa relação leva a melhores previsões do tamanho das nanobolhas em experimentos e seu design nessas aplicações.
Usando o ARCHER2, o supercomputador líder nacional do Reino Unido, hospedado na Universidade de Edimburgo, a pesquisa encontrou dois efeitos distintos em nanoescala que influenciam bolhas com diâmetros inferiores a um milésimo de milímetro.
A alta densidade do gás dentro das bolhas faz com que as moléculas ricocheteiem umas nas outras com mais frequência, resultando num aumento da rigidez da bolha, mesmo a temperaturas constantes. Outro efeito das dimensões em nanoescala da bolha foi o surgimento de uma camada isolante ao redor da bolha, o que reduziu a capacidade da bolha de dissipar o calor interno, o que modificou a forma como ela vibrava.
O estudo revelou as verdadeiras distribuições de pressão e temperatura dentro das nanobolhas, usando simulações de dinâmica molecular de alto detalhe, e encontrou um modelo melhor para descrever sua dinâmica.
Duncan Dockar, pesquisador da RAEng, Escola de Engenharia da Universidade de Edimburgo, disse:"Os resultados dessas descobertas nos permitirão empregar nanobolhas para melhor eficiência nos processos de tratamento de água e limpeza precisa de dispositivos microeletrônicos. Isto O trabalho também destaca o papel das bolhas nas futuras nanotecnologias, que têm recebido muito interesse nos últimos anos. Nossa próxima pesquisa se concentra nos efeitos incomuns em nanoescala que influenciam essas bolhas, que não são comuns na engenharia cotidiana.
Mais informações: Duncan Dockar et al, Oscilações Térmicas de Nanobolhas, Nano Letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03052 Informações do diário: Nanoletras
