Understanding the Stabilization of a Bulk Nanobubble: A Molecular Dynamics Analysis

分子动力学 过饱和度 表面张力 分子 化学 热力学 化学物理 表面电荷 纳米 材料科学 物理化学 计算化学 物理 复合材料 有机化学
作者
Zhan Gao,Wangxia Wu,Weidong Sun,Bing Wang
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:37 (38): 11281-11291 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.1c01796
摘要

Bulk nanobubbles (NBs) have received considerable attention because of their extensive potential applications, such as in ultrasound imaging and water management. Although multiple types of experimental evidence have supported the existence and stabilization of bulk NBs, the underlying mechanism remains unclear. This study numerically investigates the bulk NB stabilization with molecular dynamics (MD) methods: the all-atom (AA) MD simulation is used for NBs of several nanometers diameter; the coarse-grained (CG) MD simulation is for the NBs of about 100 nm. The NB properties are statistically obtained and analyzed, including the inner density, inner pressure, surface charge, interfacial hydrogen bond (HB), and gaseous diffusion. The results show that the gas inside an NB has ultrahigh density (tens of kilograms per cubic meter). A double-layer surface charge exists on the NB. The inner/outer layer is positively/negatively charged, and the electrostatic stress can counteract part of the surface tension. In addition, the interfacial HB is weakened by the interaction between gas and water molecules, causing less surface tension. The above features are beneficial to NB stabilization. The NB equilibrium radii solved by the interfacial mechanical equilibrium equation agree with the MD results, indicating that this equation can describe the force balance of an NB as small as several nanometers. Besides, supersaturation appears to be necessary for the NB thermodynamic equilibrium. Based on Henry’s law and the ideal gas law, the theoretical analysis suggests that the stability of the NB thermodynamic equilibrium is conditional: the number of gas molecules in NBs should be more than half that dissolved in liquid. This study unravels a stabilized bulk NB’s properties and discusses the NB equilibrium and stabilization mechanism, which will advance the understanding and application of bulk NBs.
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