Nanoburbuja

Una nanoburbuja es una pequeña cavidad o burbuja submicrométrica que contiene gas en soluciones acuosas , con propiedades únicas causadas por su alta presión interna, pequeño tamaño y carga superficial. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} El diámetro de una nanoburbuja generalmente se encuentra en un rango de entre 70 y 500 nanómetros ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} . Son conocidas por su longevidad y estabilidad, baja flotabilidad , carga superficial negativa , alta área superficial por volumen, alta presión interna y altas tasas de transferencia de gas. ^{[ 4 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

Las nanoburbujas se pueden formar inyectando cualquier gas en un líquido. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Debido a sus propiedades únicas, pueden interactuar con procesos físicos, químicos y biológicos, y afectarlos. ^{[ 14 ]} Se han utilizado en aplicaciones tecnológicas para industrias como el tratamiento de aguas residuales, la ingeniería ambiental , la agricultura, la acuicultura, la medicina y la biomedicina, entre otras. ^{[ 9 ] [ 15 ] [ 16 ]}

Las nanoburbujas son nanoscópicas y generalmente demasiado pequeñas para ser observadas a simple vista o con un microscopio estándar , pero pueden observarse mediante la retrodispersión de la luz utilizando herramientas como punteros láser verdes . ^{[ 14 ]} Las nanoburbujas estables en masa, de aproximadamente 30-400 nanómetros de diámetro, fueron reportadas por primera vez en la revista científica británica Nature en 1982. ^{[ 14 ]} Los científicos las encontraron en rupturas de aguas profundas utilizando observación por sonar . ^{[ 14 ]}

En 1994, un estudio de Phil Attard, John L. Parker y Per M. Claesson profundizó en la teoría de la existencia de burbujas de tamaño nanométrico, proponiendo que se pueden formar nanoburbujas estables en la superficie de superficies tanto hidrofílicas como hidrofóbicas , dependiendo de factores como el nivel de saturación y la tensión superficial. ^{[ 17 ]}

Las nanoburbujas se pueden generar utilizando técnicas como la cavitación hidrodinámica, el intercambio de disolventes, las reacciones electroquímicas y la inmersión de un sustrato hidrofóbico en agua mientras se aumenta o disminuye la temperatura del agua. ^{[ 15 ]}

Las nanoburbujas y las nanopartículas se encuentran a menudo juntas en ciertas circunstancias, ^{[ 18 ]} pero se diferencian en que las nanopartículas tienen propiedades diferentes, como la densidad y la frecuencia de resonancia. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

El estudio de las nanoburbujas se enfrenta a desafíos en la comprensión de su estabilidad y los mecanismos que subyacen a su formación y disolución. ^{[ 21 ]}

Existe una teoría que explica la existencia de las nanoburbujas estables ^{[ 22 ]} . La interacción entre la capa de agua interfacial estructurada y la doble capa eléctrica (EDL) es responsable de esta estabilidad.

La hipótesis de la estructuración de las moléculas de agua en las interfaces hidrofóbicas existe desde hace más de un siglo, con decenas de artículos publicados sobre este tema, algunos de ellos revisados ​​en el libro. ^{[ 23 ]} Se confirmó con varias técnicas de medición: microscopía de fuerza atómica, ^{[ 24 ]} espectroscopía de generación de frecuencia suma, ^{[ 25 ]} espectroscopía Raman, ^{[ 26 ]} ultrasonido. ^{[ 27 ]}

También existen numerosos estudios que revelan cargas eléctricas en las interfaces de las nanoburbujas, lo que conduce a la formación de una doble capa eléctrica caracterizada por un potencial zeta (ζ) determinado; por ejemplo, el artículo de Meegoda et al. ^{[ 28 ]} . Algunos de estos estudios establecieron una correlación entre el diámetro de la burbuja y el potencial zeta, como se muestra en la figura de la derecha. Los datos experimentales provienen del estudio de Meegoda et al. ^{[ 28 ]} , mientras que la línea roja representa el resultado de la teoría ^{[ 22 ]} .

Individualmente, ninguna de estas capas interfaciales puede explicar la longevidad de las nanoburbujas. Sin embargo, su interacción sí puede, como se muestra en el artículo. ^{[ 22 ]} Esta interacción da lugar a dos nuevas fuerzas superficiales.

El campo eléctrico de la doble capa eléctrica ejerce una fuerza normal sobre los momentos dipolares de las moléculas de agua orientadas. A esta fuerza se le asignó el nombre de dielectrostática. Esta fuerza compensa la otra fuerza normal causada por la presión excesiva de Young-Laplace en la burbuja. El equilibrio de estas dos fuerzas normales determina el tamaño de la nanoburbuja estable a _s según la siguiente ecuación:

${\displaystyle \ a_{s}={\frac {2\gamma }{MLNd_{w}\zeta \kappa ^{2}}}}$

donde M = 55500 es el número de moles de agua en 1 m³ , N es el número ^de Avogadro , d _w es el momento dipolar de la molécula de agua, ζ es el potencial zeta de la burbuja, κ es la longitud de Debye recíproca . El parámetro L es el espesor de la capa de agua estructurada. Es aproximadamente igual a 0,24  nm para una monocapa. La suposición de dos capas de moléculas de agua estructuradas conduce al tamaño estable de la nanoburbuja de 250  nm, como se muestra en la figura anterior como una línea roja. Esto puede considerarse como un apoyo experimental a esta teoría. Hay un hecho experimental más que apoya la validez de esta teoría. El tamaño de la nanoburbuja es inversamente proporcional al potencial zeta según la figura anterior. La misma dependencia es predicha por la teoría según la ecuación para el tamaño estable de la nanoburbuja.

El equilibrio de la fuerza tangencial se logra gracias a la fuerza superficial tangencial adicional: la repulsión de los momentos dipolares de las moléculas de agua orientadas. Esta fuerza compite con la tensión superficial clásica. Su contribución a la tensión superficial total _γs viene dada por la siguiente ecuación. ^{[ 29 ]}

${\displaystyle {\gamma _{s}}={\frac {2d_{w}}{\pi \varepsilon \varepsilon _{0}L_{d}^{5}}}}$

donde ε y ε ₀ son las constantes dieléctricas del líquido y del vacío, y L _{d es la distancia entre dipolos en la capa estructurada. En el artículo} ^{[ 29 ]} se demostró que esta nueva fuerza superficial es suficiente para compensar la tensión superficial clásica si la distancia entre dipolos es de 0,23  nm. Este valor parece realista teniendo en cuenta que la distancia entre las moléculas de agua en el seno del líquido es de 0,3  nm y que los dipolos se comprimen entre sí debido a la tensión superficial clásica.

Las nanoburbujas poseen varias propiedades distintivas:

• Estabilidad: Las nanoburbujas son más estables que las burbujas más grandes debido a factores como la carga superficial y los contaminantes que reducen la tensión interfacial, lo que les permite permanecer en líquidos durante períodos prolongados. ^{[ 21 ] [ 31 ]}
• Alta presión interna: El pequeño tamaño de las nanoburbujas genera una alta presión interna, lo que influye en su comportamiento e interacciones con el líquido circundante. ^{[ 21 ]}
• Gran relación superficie-volumen: Esta propiedad es crucial para una transferencia de gas eficiente entre las nanoburbujas y el líquido, lo cual es beneficioso para diversas aplicaciones. ^{[ 21 ]}

En acuicultura , las nanoburbujas se han utilizado para mejorar la salud y las tasas de crecimiento de los peces ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} y para mejorar la oxidación. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]} Las nanoburbujas pueden mejorar los resultados de salud para los peces al aumentar la concentración de oxígeno disuelto en el agua, ^{[ 32 ]} reducir la concentración de bacterias y virus en el agua, ^{[ 33 ]} y activar el sistema de defensa no específico de especies como la tilapia del Nilo , mejorando la supervivencia durante las infecciones bacterianas. ^{[ 38 ]} El uso de nanoburbujas para aumentar los niveles de oxígeno disuelto también puede promover el crecimiento de las plantas y reducir la necesidad de productos químicos. ^{[ 39 ]} También se ha demostrado que las nanoburbujas son efectivas para aumentar el metabolismo de los organismos vivos, incluidas las plantas. ^{[ 37 ]} Con respecto a la oxidación, se sabe que las nanoburbujas generan especies reactivas de oxígeno , lo que les da propiedades oxidativas que superan al peróxido de hidrógeno . ^{[ 36 ]} Los investigadores también han propuesto nanoburbujas como una alternativa química de bajo contenido a los oxidantes químicos como el cloro y el ozono. ^{[ 37 ] [ 38 ]}