Nanokokoisia kuplia käytetään monissa biologisissa sovellutuksissa ja muun muassa lääkeaineiden ja geenien siirtämisessä elimistöön. Vettä, jossa nanokuplat ovat happea, käytetään eläinten ja kasvien kasvunopeuden lisäämiseen ja jätevesien puhdistukseen sekä anaerobisten bakteerien aiheuttamien tautien hoitoon. Kokeellisesti on havaittu, että nanokuplat säilyvät vedessä useita viikkoja. Klassisen kuplateorian mukaan hyvin pienten kuplien pitäisi kuitenkin liueta veteen mikrosekunneissa, joten pysyviä nanokuplia ei pitäisi olla olemassa. Tämä kokeiden ja teorian ristiriita on niin sanottu nanokuplaparadoksi.
VTT:n tutkijat Tapio Vehmas ja Lasse Makkonen ovat ratkaisseet tämän paradoksin. Heidän termodynaamisen analyysinsa mukaan pienikin kupla kyllä liukenee nopeasti, mutta jos kupla on jo muodostuessaan riittävän pieni, niin liukenemisprosessi ei käynnisty. Ilmiö johtuu siitä, että hyvin pienen kuplan kutistuessa, sen pintaenergian muutos ei ole riittävän suuri synnyttämään kuplan ulkopuolelle ylikyllästystilaa, joka on edellytys kaasun siirtymiselle nesteeseen. Vehmaksen ja Makkosen analyysin mukaan huoneenlämpötilassa ja kyllästystilassa olevassa vedessä liukeneminen ei käynnisty, jos kuplan halkaisija on pienempi kuin 180 nanometriä.
Vehmaksen ja Makkosen analyysi tuo selvyyden siihen, miksi nanokuplia ylipäätään on, ja mihin niiden tuottaminen perustuu. Tästä on apua tehokkaampien nanokuplageneraattorien kehittämisessä. Uutta teoriaa voidaan soveltaa myös pinnoilla kiinni oleviin nanokupliin. Pintananokuplilla on käyttöä esimerkiksi pintojen puhdistamisessa ja vedessä liikkuvien kappaleiden vastuksen vähentämisessä.
Vehmaksen ja Makkosen tutkimus ”Metastable nanobubbles” on julkaistu American Chemical Societyn lehdessä ACS Omega ja se on luettavissa osoitteessa https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsomega.0c05384
Tutkimusta rahoitti Suomen Akatemia.
Kuvassa: Nanokuplat erottuvat keskimmäisestä nestenäytteestä valon siroamisena. Laservalon siroaminen indikoi nesteen sisältävän pintoja, joista valo siroaa. Nämä pinnat eivät kuitenkaan sirota normaalia valoa, mikä indikoi pintojen olevan nanokokoluokassa. (Kuvaaja: Tapio Vehmas)
