Нанопузырь не лопнет

Журнал Science в эту пятницу немало удивил своих читателей, опубликовав статью американских ученых, научившихся взбивать пену из нанопузырьков воздуха. Работа ученых из Гарвардской школы инженерного дела и прикладных наук, по признанию авторов, была продиктована свойственным многим настоящим исследователям мотивом, который проще всего описать фразой «Ух ты, а что если?..»

История такова: в 2005 году ныне пенсионер, а на тот момент один из ключевых исследователей компании Unilever Рудни Би, организовал конференцию, посвященную пенам и эмульсиям. В область его научных интересов входило создание долгоживущих пенистых метастабильных фаз, которые повсеместно применяются в легкой промышленности – для приготовления мороженого, еды, напитков, а также предметов личной гигиены. Один из слайдов его презентации содержал фотографию микроскопического пузырька, поверхность которого была образована правильными многоугольными фигурами – пяти, шести и восьмиугольниками. Размер этих фасеточных образований на поверхности микропузыря не превышал 50 нанометров (1 нанометр – 10^-9метра, то есть одна миллиардная метра).

В аудитории присутствовал профессор Говард Стоун, на которого вид микроскопических стабильных воздушных пузырьков произвел неизгладимое впечатление. Дело в том, что поверхностное натяжение воды и давление воздуха, формирующееся над искривленной поверхностью раздела фаз вода-воздух, не оставляют микроскопическим пузырькам ни единого шанса даже на мимолетное существование. Такие пузырьки практически мгновенно сливаются в более крупные агломерации и большие пузыри. С течением времени количество больших пузырьков увеличивается, а средний их размер растёт, в то время как маленькие пузыри бесследно исчезают.

После доклада Би поделился со Стоуном своим секретом – стабильные микропузырьки были получены с помощью обычного бытового миксера.

На следующее утро сотрудники лаборатории Стоуна распаковывали новый миксер.

Задача создания устойчивых двухфазных систем жидкость-газ волновала ученых и инженеров уже давно. Особо это касается пузырьков с размерами менее десяти микрон: в чистой воде они живут меньше секунды. Увеличение размеров пузырьков в таких случаях происходит, следуя так называемому механизму Оствальда. Поверхностное натяжение воды формирует гигантские давления внутри микроскопических ёмкостей с газом, что заставляет компоненты газовой фазы растворяться в жидкости. В результате размер их уменьшается. Давление же в более крупных пузырьках меньше, благодаря этому газовая фаза «перетекает» сквозь слой жидкости от мелких пузырьков к более крупным.

Стабилизировать пены из микроскопических пузырьков помогают различные поверхностно активные вещества, снижающие поверхностное натяжение и разницу в давлении внутри больших и маленьких пузырьков. Время жизни таких пен исчисляется уже сотнями секунд. Еще более устойчивые пены получаются при стабилизации поверхности с помощью упорядоченных наночастиц или желатинизированных липидных тел.

Совместная работа лаборатории Стоуна и исследователей из Unilever привела их к созданию газовых пузырьков, окруженных в жидкости твердой оболочкой.

Эти пузыри не подают признаков разрушения уже более года!

Ученые под руководством Стоуна использовали смесь воды (23% по массе) с концентрированным глюкозным сиропом (75% по массе). Оставшиеся два процента составил стеарат сахарозы, использовавшийся в качестве поверхностно-активного вещества. Компоненты смешивали при температуре 70 ^oС, после чего в течение двух часов проходила их аэрация – говоря по-простому, их взбивали миксером. Вовлечение воздушной фазы в результате быстрых режущих движений ножей миксера сопровождалось постепенным уменьшением размера образующихся пузырьков, последовательно разбивавшихся ножом на всё более мелкие шарики.

Затвердевание поверхностно-активного вещества – стеарата сахарозы, растянутое во времени, приводит в этом случае к образованию поверхности, сформированной из правильных многоугольных фигур. Типичный размер рёбер этих многоугольников составил около 50 нм – и в случае «больших» пузырьков, диаметр которых составлял около 10 микрон, и самых маленьких – менее 500 нм (полумикрона) в диаметре. При этом размер и толщина оболочки такова, что практически не изменяет механических свойств жидкости с пузырями, ради которых её и получают.

Эластичность поверхности, образованной подобными ячеистыми структурами, препятствует сокращению объема закапсулированных пузырьков по механизму Оствальда и тем самым обеспечивает небывалую стабильность пленок. Другим интересным свойством, которое наблюдали ученые, является постепенное упорядочение системы воздушных капсул (пузырьками эти образования, и правда, уже не назовешь) с течением времени. Движущей силой такого упорядочения является тепловое движение вязкой среды и оседание капсул под действием силы тяжести.

Сами авторы пока говорят о бытовом применении таких долгоживущих пен в предметах личной гигиены и гелях-контрастерах, применяющихся в ультразвуковых исследованиях. В то же время упорядоченные структуры наподобие тех, что создала команда Стоуна, уже давно находятся в поле зрения ученых, занимающихся фотонными кристаллами. Возможно, когда-нибудь непритязательная забава по приданию товарного вида мороженому выльется в создание оптических информационных сетей.