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07 Dicembre 2018

Alfatest

La caratterizzazione di nanobolle e bolle ultra-fini

La generazione, la misura e le tecnologie applicate a bolle ultrafini, ovvero nanobolle con un diametro compreso tra un decimo di nanometro e un decimo di micrometro, hanno subito negli ultimi anni profonde innovazioni. Le tecnologie che coinvolgono le nano-bolle sono già state implementate in diverse applicazioni, come la pulizia d’impianti industriali, i processi produttivi di celle solari, l’agricoltura, etc. Tra le principali applicazioni possiamo elencare:

  • Pulizia
  • Agricoltura
  • Decontaminazione
  • Trattamento delle acque
  • Farmaceutico

Le nanobolle trovano applicazioni anche nell’industria alimentare, la cosmetica, la pesca, o la produzione di materiali innovativi e compositi. Si prevede che le nano- e microbolle diventino uno degli elementi chiave delle più importanti industrie future. Numerose ricerche hanno dimostrato l’esistenza delle nanobolle di superficie. Meno diffusi sono invece gli articoli sull’esistenza delle nanobolle in dispersione o bulk nanobubbles, forse perché non sono molto note le tecniche appropriate alla loro investigazione.

Le nanobolle hanno diverse proprietà fisiche uniche che le rendono molto diverse da una normale bolla. Il più rilevante dei quali è la loro lunga durata di vita stabile nel liquido a causa della loro galleggiabilità molto bassa. Invece di salire verticalmente possono rimanere sospese nei liquidi per mesi. Le nanobolle d’aria hanno una superficie caricata negativamente (potenziale zeta negativo). 

  

La caratterizzazione di nanobolle con la tecnica Nanoparticle Tracking Analysis

La Nanoparticle Tracking Analysis NTA è una tecnica particolarmente adatta per il rilevamento e l’analisi (dimensione, distribuzione, concentrazione in numero) di questa tipologia di strutture a bassa concentrazione e di dimensioni estremamente ridotte (in confronto alle “convenzionali” bolle).

Nanobolle da 83 nm analizzate con il Nanosight

  

Numerosi lavori scientifici condotti sulle nano-bolle con tecnica NTA sono stati prodotti inizialmente in Giappone. Le pubblicazioni scientifiche sul tema delle nanobolle riferiscono numerosi esempi e studi di applicazioni industriali. La tecnica NTA si è dimostrata fondamentale negli studi e analisi per applicazioni nel campo petrolchimico e sui combustibili, i materiali da costruzione, la bonifica di siti contaminati e la coltivazione idroponica o acquacoltura. È stata ad esempio studiata l'efficienza con cui le nanobolle potrebbero sostituire i detersivi nel lavaggio della biancheria. È stato stimato che l’azione meccanica rappresentare il 50% dell'effetto di lavaggio e le nano bolle possono raggiungere la stessa quota. La combinazione di nano bolle e ridotte quantità di detergenti porta ad un aumento del 10% dell'efficienza del lavaggio (Ushida et al. 2011)*.

I risultati di studi su miscele di nanobolle in acqua o glicerolo fatte passare attraverso orifizi e capillari di varie dimensioni suggeriscono che l’aggiunta di nanobolle a liquidi ne riduca drasticamente l'attrito e la resistenza. (Ushida et al. 2013)*. 

Quando le radici delle piante sono esposte a nanobolle arricchite di ossigeno combinate con un elevato contenuto di ossigeno disciolto, possono assorbire i nutrienti in modo più efficace, traducendosi in rese più elevate. È stato studiato il meccanismo d’azione delle nanobolle nel miglioramento dell’attività fisiologica degli esseri viventi attraverso la spettroscopia pNMR. I risultati suggeriscono che le nanobolle influenzano le proprietà fisiche dell’acqua. Un esperimento di coltivazione idroponica ha dimostrato che le nanobolle aiutano notevolmente la crescita dell’orzo e potrebbero consentire l’utilizzo della tecnologia applicata nella coltivazione idroponica delle verdure. L’idroponica è un metodo di coltivazione in assenza di terra, nel quale tutte le sostanze nutritive vengono disciolte e somministrate direttamente nell'acqua. La tecnica Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) è stata usata per misurare il diametro delle nanobolle, un parametro fondamentale per comprendere gli effetti generati (Liu et al. 2013)*.

È interessante notare che i metodi di produzione e gli strumenti per la generazione di nanobolle, in cui la tecnica NTA viene utilizzata per generazione dei dati a supporto, sono soggetti ad attività brevettuali o brevettati (ad esempio Ryu, 2012; Tsuji, 2012 e Tsuji et al. 2013; Lynn, 2013a e 2013b)*.

In uno studio ad ampio raggio sull'efficacia dell’acqua contenente nanobolle di aria o ossigeno, generate attraverso un aeratore, Ebina et. al (2013)* è stato dimostrato un significativo aumento nella crescita (altezza della pianta, lunghezza della foglia e peso) della pianta Brassica campestris, rispetto all'utilizzo di acqua normale. La stessa crescita significativa è stata riscontrata nei topi DBA 1/J alimentati liberamente con acqua arricchita di nanobolle e nella trota dolce o iridea allevata in acqua con nanobolle. In modo più generale è stato dimostrato che le nanobolle aumentano il tasso di crescita di mammiferi, pesci, crostacei e molluschi attraverso la promozione del flusso sanguigno e la produzione del fattore di crescita insulino-simile IGF-1.

Oh et al. (2013)* hanno studiato l’effetto dell’aggiunta di nanobolle di idrogeno sulle caratteristiche di combustione di motori a benzina. Utilizzando la tecnica Nanoparticle Tracking Analysis NTA per verificare una concentrazione di nanobolle di idrogeno nella miscela di benzina pari a 149 nm e 11x108 particelle/mL, i risultati hanno evidenziato un miglioramento della potenza del motore con la miscela di benzina e nano bolle del 4% rispetto alla tradizionale benzina.

Ueda et al. (2013)* descrivono l’uso di acqua contenente bolle d’aria 100 nm di diametro (nanobolle in acqua) nella rimozione di carbonio radioattivo da granulati conglomerati, asfalti, cementi ed altri siti contaminati a Fukushima (Giappone).

  

Comitato ISO sulle nanobolle

Il Dr Stephen Ward Smith della MalvernPANalytical è Chairman del comitato ISO sulle Nanobolle: ISO/TC 281 Fine bubble technology. Ha recentemente fatto un intervento in UK su 'Tecniche di misurazione delle bolle fini e applicazioni: situazione e progressi nella somministrazione di farmaci mediante bolle'.

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* riferimenti bibliografici nel white paper da scaricare

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