A new experimental study tackles the unsolved mystery of ‘nanobubbles’

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 s’y sont dissoutes. Alors que certaines études ont rapporté l’observation de ces bulles incroyablement minuscules, certains scientifiques ont soutenu qu’il s’agissait simplement de débris solides ou huileux formés lors d’expériences.

Des chercheurs du Monterrey Unit Center for Research and Advanced Studies et du Monterrey Unit Center for Mathematics Research 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 se dissolvent dans l’eau. Leur étude, présentée à Lettres d’examen physiqueidentifié la formation de ce que l’équipe appelle des “nanospecks”, 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 Suárez, 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 solides ou pétroliers qui se forment au cours des expériences.”

Pour résoudre le “mystère” des nanobulles, Ruiz Suárez 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, de leur appliquer une haute pression, puis de dépressuriser et d’inspecter le liquide résultant.

L’équipe a évalué les résultats de cette procédure à la fois dans des simulations de dynamique moléculaire (MDS) et dans des expériences de laboratoire. Bien qu’ils aient observé des particules ressemblant à des nanobulles, lorsqu’ils ont analysé ces particules, ils ont été surpris de découvrir qu’il s’agissait probablement de structures amorphes de gaz et d’eau, plutôt que de bulles gazeuses.

“Afin de joindre les atomes nobles pour les nucléer dans des bulles, il fallait augmenter leurs concentrations dans le milieu aqueux”, explique Ruiz Suárez. “En faisant du MDS, nous avons découvert que les rapports corrects entre les molécules d’eau et les atomes nobles étaient d’environ 30 molécules d’eau/atome. Nous avons donc dû construire une cellule à haute pression pour forcer les atomes à se dissoudre dans l’eau.”

Le xénon et le krypton sont deux gaz hydrophobes. Cela signifie qu’ils ne peuvent pénétrer dans l’eau et les solutions aqueuses que sous des pressions élevées (plus de 360 ​​bars ou atmosphères). Cependant, une fois qu’ils entrent dans l’eau, ils peuvent se lier les uns aux autres grâce aux forces hydrophobes et de van der Waals.

“Actuellement, il n’y a aucun moyen de voir à l’intérieur de la cellule, mais nous avons supposé que les bulles existaient parce que nous croyions en notre MDS”, a déclaré Ruiz Suárez. « 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 composées de gaz et d’eau, que nous appelons nanoblobs. Ce sont des structures sui generis. qui donnent naissance à des clathrates hydratés ».

L’existence de nanobulles est toujours un sujet très débattu en physique des particules et les travaux récents de ces chercheurs pourraient aider à résoudre ce mystère. 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 que ce que de nombreuses études antérieures ont identifié comme des “nanobulles” pourraient être ces nanostructures amorphes composées d’hydrates de clathrate.

“Il est important de noter que lorsqu’une théorie physique existante ne peut pas expliquer les résultats expérimentaux, les physiciens aiment l’appeler une catastrophe”, a déclaré Ruiz Suarez. “Comme 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 longtemps. , c’est pourquoi cela a été appelé la catastrophe de la bulle de pression de Laplace”.

Si les découvertes compilées par cette équipe de chercheurs sont valides et fiables, elles 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, puisque les “nanobulles” précédemment observées sont plutôt des “nanospots” ou des structures alternatives résultant d’hydrates de clathrate dans les gaz utilisés expérimentalement.

“Maintenant, nous construisons 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 Suárez. « Nous aimerions voir leur évolution lorsque nous baissons la pression et lorsqu’ils se transforment en hydrates de clathrate. Pendant ce temps, nous étudions également d’autres gaz importants tels que l’oxygène et le dioxyde de carbone.”

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