چه روش‌هایی برای تشخیص نانوحباب می‌شناسید؟

نانو حباب‌های گازی به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) درون آب به صورت کاملا شفاف بوده و سیال را کدر نمی‌کنند.

کد خبر: ۱۱۰۴۴۱۴

سه‌شنبه - ۲۵ مهر ۱۴۰۲ / October 17, 2023

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، نانو حباب‌های گازی به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) درون آب به صورت کاملا شفاف بوده و سیال را کدر نمی‌کنند. محققان به منظور تشخیص و اثبات وجود نانوحباب‌های گازی روش‌های مختلفی را پیشنهاد می‌دهند.

نانو حباب در تعریف به حباب‌های گازی درون سیال با ابعاد ۱ تا ۲۰۰ نانومتر اطلاق می‌شود. گرچه در برخی از تعاریف، حباب‌های با ابعاد کوچکتر ۱۰۰۰ نانومتر را در نیز در شاخه نانو حباب‌ها به حساب می‌آورند. از طرفی به حباب‌هایی با ابعاد ۱ تا ۳۰ میکرون، میکروحباب و به حباب‌های با ابعاد بزرگتر از ۳۰ میکرومتر، ماکروحباب گفته می‌شود.

در ظاهر، نانو حباب‌ها درون سیال کامل شفاف هستند، حال آنکه میکروحباب‌ها سیال را کدر کرده و ماکروحباب‌ها به راحتی به چشم انسان درون سیال قابل تشخیص است. از طرفی دیگر با تغییر ابعاد حباب از نانو به ماکرو، پایداری حباب درون سیال کاهش پیدا می‌کند. این موضوع به‌علت نیروی بویانسی است که با افزایش شعاع حباب، تمایل آنرا را برای خروج از سیال افزایش می‌دهد.

از دیگر خواص جالب نانو حباب‌ها قابلیت انحلال بالای آن‌ها درون سیال است به گونه‌ای که در برخی از موارد امکان افزایش میزان انحلال گاز تا چندین برابر اشباع، با استفاده از نانو حباب به وجود می‌آید. برای مثال با به کارگیری نانوحباب‌ها امکان افزایش میزان اکسیژن محلول تا بیش از ۴۰ پی پی ام درون آب شرب در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد و هم سطح با ارتفاع از دریای آزاد فراهم می‌شود.

یکی دیگر از خواص جالب نانوحباب‌ها، ایجاد بار سطحی منفی است که در منابع علمی با عنوان پتانسیل زتا از آن یاد می‌شود. با کوچک شدن ابعاد حباب‌های گازی، بار سطحی یا پتانسیل زتا افزایش یافته که باعث پخش شدن یکنواخت حباب در تمام سیال شده و از طرفی از به هم پیوستگی و خروج آن از سیال جلوگیری خواهد کرد. این موضوع باعث می‌شود که در برخی از شرایط نانوحباب‌ها تا هفته‌ها یا ماه‌ها درون سیال پایدار باقی بمانند.

به‌طور خلاصه مهم‌ترین خواص ایجاد شده با تبدیل ابعاد حباب گازی به کمتر از ۲۰۰ نانومتر، شامل پایداری و افزایش قابل توجه قابلیت انحلال است که قابلیت استفاده آن را در صنایع مختلف نظیر کشاورزی، آبزی پروری و تصفیه به وجود می‌آورد.

تاریخچه نانوحباب

گرچه فناوری نانو حباب و استفاده تجاری از آن پدیده‌ای بسیار نو به حساب می‌آید، اما تئوری اسنفاده از نانو حباب‌ها سبقه‌ای طولانی دارد. اولین بار در سال ۱۹۵۰ بود که تئوری اپستین- پلست در جهت پیش‌بینی زمان ماندگاری حباب‌ها درون سیال ارائه شد. این تئوری در سالیان بعد بیانگر یکی از خواص مهم نانو حباب‌ها، یعنی پایداری مناسب آن‌ها درون سیال شد.

در سال ۲۰۰۰ بود که نخستین تصویر AFM از نانو حباب‌های موجود در آب ارائه شد. این موضوع در سال ۲۰۰۳ با ارائه تصویر میکروسکوپ فلورسنس از نانو حباب‌های اکسیژن پراکنده شده در سیال، یقین محققان و دانشمندان در خصوص وجود نانو حباب‌ها را بیشتر کرد.

سپس در سال ۲۰۰۶، محققان توانستند نانو حباب‌ها را در حضور سرفکتنت‌ها و محلول‌های نمکی در پایداری بسیار مناسب در آب سنتر کنند. استفاده از آنالیز DLS برای سنجش پراکندگی اندازه نانو حباب‌ها موجود در سیال، معیار‌های مناسب‌تری از سنجش ابعاد نانو حباب‌ها را در آن سال‌ها ارائه کرد. همچنین سنجش پتانسیل زتا بیانگر بار سطحی منفی به وجود آمده بر روی نانو حباب‌ها و موید پایداری مناسب آن‌ها درون سیال بود.

در سال ۲۰۱۰، نخستین تصاویر با کیفیت TEM و Cryo-SEM از نانو حباب‌ها توسط محققات ارائه شد. این تصاویر بالاترین وضوح از حضور نانو حباب‌های گازی درون آب و سیالات دیگر را به اثبات رسانید که منشا به وجود آمدن فعالیت‌های تجاری متعدد بر روی این فناوری در حوزه نانو گشت.

روش‌های تشخیص نانوحباب‌ها

نانو حباب‌های گازی به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) درون آب به صورت کاملا شفاف بوده و سیال را کدر نمی‌کنند. محققان به منظور تشخیص و اثبات وجود نانو حباب‌های گازی روش‌های مختلفی را پیشنهاد می‌دهند که در ادامه به آن اشاره شده است:

۱- استفاده از نور لیزر: گرچه حضور نانوحباب ظاهر آب را تغییر نمی‌دهد، اما خط نور لیزر در آبی که حاوی نانو حباب‌های گازی باشد، مشخص می‌شود. همچنین اندازه‌گیری غلظت اکسیژن یا هر گاز دیگری که بدون تغییر ظاهری آب، به شکل محسوسی درون سیال افزایش یافته باشد، موید حضور نانوحباب‌های گازی در سیال است.

۲- ایجاد تنش‌های آنی: به صورتی که با تکان دادن شدید آب حاوی نانو حباب‌های گازی ظاهر آن به طور موقت به صورت کدر در آمده و مجددا شفاف می‌شود.

۳- آنالیز DLS: این آنالیز با استفاده از رابطه اینشتین-استوکس که از حرکات براونی حباب درون سیال بدست می‌آید، به شکل غیر مستقیم ابعادی را برای حباب‌های گازی پیشنهاد می‌دهد. گرچه آنالیز DLS لزوما دقت بالای ندارد، اما روش ارزان قیمت و مناسبی برای تخمین ابعاد حباب‌های گازی درون سیال ارائه می‌دهد.
۴- آنالیز پتانسیل Zeta: از متد‌هایی که عموما به همراه آنالیز DLS برای ارزیابی نانوحباب‌ها پیشنهاد می‌شود. با توجه به آنکه با کوچک‌تر شدن ابعاد حباب‌های گازی، بار سطحی منفی آن‌ها درون آب افزایش می‌یابد، افزایش پتانسیل زتا به صورت غیرمستقیم نشان‌دهنده پایداری بیش‌تر حباب‌های گازی و ریز‌تر بودن ابعاد آن است.

۵- روش‌های تصویربردای نانویی نظیر AFM و TEM: این روش‌ها از دقت بسیار مناسبی برخوردار هستند، اما با توجه به هزینه نسبتا بالا و پیچیدگی‌های انجام آنالیز به ندرت توسط محققان انجام می‌شوند.
روش‌های تولید

به منظور تولید نانو حباب‌ها به‌طور کلی از ۳ روش استفاده می‌شود که در ادامه توضیح داده شده است:
۱- الکترولیز: ایجاد جریان مستقیم درون سیالات هادی نظیر آب، منجر به تجزیه سیال به عناصر تشکیل‌دهنده آن در اطراف آند و کاتد می‌گردد. این گونه‌ها می‌توانند به صورت حباب‌های نانومتری درون سیال پراکنده شده و منجر به تولید نانو حباب‌های گازی شوند. استفاده از این روش با توجه به قابلیت مقیاس‌پذیری پایین و مصرف برق بالا با استقبال مناسبی مواجه نشده است.

۲- غشا: عبور جریان پرفشار گاز ار درون غشا‌های میکرومتری و نانومتری منجر به تولید حباب‌های میکرومتری و نانومتری می‌گردد.

استفاده از غشا با توجه به قابلیت مقیاس‌پذیری و ورود مستقیم گاز به درون سیال، از جذابیت فراوانی برخوردار است. عبور جریان تک فاز از غشا، ماندگاری و هزینه استهلاک پایینی برای این روش در پی دارد. گرچه یکی از معایب استفاده از غشا برای تولید حباب‌های ریز آن است که با استفاده از آن، به ندرت می‌توان حباب‌هایی با ابعاد کوچکتر از ۳۰۰ نانومتر ساخت.

۳- کاویتاسیون: تغییر ناگهانی فشار هیدرودینامیکی در جریان سیال با استفاده از امواج الکترومغناطیس به منظور تولید کاویتاسیون، یکی از روش‌های شناخته شده و رایج به منظور تولید نانو حباب‌های گازی است. مهم‌ترین و رایج‌ترین روش تولید نانو حباب، استفاده از راکتور‌های کاویتاسیون است. آنچه در خصوص طراحی این نوع از راکتور‌های از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، مصرف بهینه انرژی به منظور تولید ریز مقیاس‌ترین نوع از حباب‌های گازی درون سیال است. از مزایای استفاده از روش کاویتاسیون می‌توان به قابلیت مقیاس پذیری و امکان دستیابی به حباب‌هایی با ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر اشاره کرد.

فاکتور‌های موثر در تولید نانوحباب

جدا از روش مورد استفاده جهت تولید نانوحباب‌های گازی، فاکتور‌های فیزیکی و محیطی دیگری نیز در ابعاد و پایداری نانو حباب‌ها تاثیر می‌گذارند که عبارتند از:

فشار: به طور معمول با افزایش فشار سیال، ابعاد نانوحباب‌های گازی کاهش یافته و پایداری آن‌ها افزایش می‌یابد. این موضوع در روش کاویتاسیون (کاویتاسیون هیدرودینامیکی) کاملا محسوس است.

دما: دما به‌عنوان یکی از پارامتر‌هایی است که باعث بزرگ‌تر شدن ابعاد نانوحباب‌ها و کاهش پایداری آن‌ها می‌شود. از طرفی با افزایش دما، سرعت ایجاد کاویتاسیون کاهش می‌یابد که خود به‌عنوان یک فاکتور نامطلوب در تولید نانوحباب‌های گازی به حساب می‌آید.

نوع و غلظت گاز: نوع گاز می‌توان بر ابعاد آن موثر باشد. همچنین با افزایش غلظت گاز درون سیال ابعاد حباب‌ها افزایش یافته و ایجاد پایداری مناسب درون سیال دشوارتر خواهد شد.

سرفکتنت: حضور مواد فعال سطحی یا سرفکتنت‌ها به شکل جدی می‌تواند بر روی ابعاد نانو حباب‌ها و پایداری آن‌ها اثر گذار باشد. این موضوع با در نظر گرفتن بار سطحی موجود بر روی نانو حباب‌های گازی، قابل پیش‌بینی است.

استفاده از محلول‌های الکترولیت: از آن جا که محلول‌های اکترولیت می‌توانند به شکل جدی بر روی بار سطحی موجود بر روی نانو حباب‌ها و پتانسیل زتا آن‌ها تاثیرگذار باشند، به‌عنوان یکی از فاکتور‌های مهم در تعیین ابعاد نانوحباب‌های گازی به شمار می‌آیند.