Образование гидроксильных радикалов в жидкой воде при кавитации, вызываемой лазером

Свет, который разрывает воду

Представьте себе крошечный, невидимый молоток из света, который разбивает воду с такой силой, что на месте образуются мощные очистные агенты. В этом исследовании как раз изучается такая идея. Посылая в воду короткие лазерные импульсы, учёные генерируют интенсивные микроскопические пузыри, которые при взрыве столь сильны, что молекулы воды распадаются, образуя гидроксильные радикалы — высокореактивные частицы, способные разрушать многие виды загрязнений. Работа показывает, как настроить этот процесс для повышения эффективности, указывая на новые подходы к очистке сточных вод или запуску химических реакций с помощью света вместо добавления реагентов.

Почему важны крошечные пузыри

Современная очистка сточных вод всё чаще опирается на «продвинутое окисление» — набор методов, создающих агрессивные окисляющие агенты для уничтожения стойких загрязнителей. Одним из ключевых таких агентов является гидроксильный радикал: он быстро и неспецифично реагирует со многими органическими молекулами, в конечном счёте превращая их в углекислый газ, воду и безвредные соли. Традиционно эти радикалы получают с помощью звуковых волн, потоков жидкости или химических добавок, каждый из методов имеет свои ограничения по управлению и эффективности. Лазерная кавитация предлагает новый путь: лазерный импульс фокусируется внутри воды, вызывая взрывной пробой, который образует яркую плазму и быстро растущий пузырь. Когда пузырь расширяется, а затем схлопывается, возникают экстремальные температуры и давления, способные разрывать молекулы воды и генерировать радикалы.

Проследить жизнь лазерного пузыря

Авторы собрали специализированную установку, в которой импульсный Nd:YAG‑лазер фокусируется в небольшой трубке с окрашенной водой, размещённой над чёрной резиновой подложкой, поглощающей энергию. С помощью высокоскоростной камеры, захватывающей сотни тысяч кадров в секунду, они записали рождение, рост и схлопывание одиночных кавитационных пузырей в течение трёх циклов пульсации. Первый цикл расширения–схлопывания наиболее жесток: пробой воды в плазму запускает лазерную ударную волну, затем растущий пузырь накапливает энергию, которая внезапно высвобождается при его схлопывании, посылая вторую ударную волну и быстрый узкий водяной джет. В совокупности эти механические воздействия «рвут» молекулы воды, вызывая выброс гидроксильных радикалов. Последующие пульсации слабее и вносят гораздо меньший вклад в образование радикалов, так что полезная химия сосредоточена в самые ранние моменты после каждого лазерного импульса.

Превращение потери цвета в счётчик радикалов

Чтобы измерить количество образовавшихся радикалов, команда использовала голубой краситель метиленовый синий, который теряет окраску при атаке гидроксильных радикалов. Пропуская через раствор ультрафиолет‑видимый свет до и после лазерной обработки, они оценивали, насколько поблек цвет, и по калибровочной кривой вычисляли, сколько радикалов должно было вступить в реакцию. Систематические тесты показали, что концентрация красителя имеет значение: при слишком низкой концентрации радикалы в основном уничтожают друг друга; при слишком высокой — краситель поглощает лазерный свет или мешает измерениям. Промежуточная концентрация в 5 миллиграммов на литр оказалась оптимальной, делая краситель эффективным «химическим датчиком» выхода радикалов от пузырей.

Поиск оптимума мощности пузыря

Исследователи затем картировали, как условия работы влияют на образование радикалов. Большая энергия лазера и более высокая частота импульсов увеличивали общее количество радикалов, получаемых за час, потому что каждый выстрел вызывал более сильный пробой и более крупные, энергичные пузыри. Однако при учёте затраченной лазерной энергии оказалось, что более низкие энергии и меньшая частота повторения на самом деле эффективнее, производя больше радикалов на единицу потраченной энергии. Температура также играла роль: нагрев воды от 15 °C до примерно 35–45 °C повышал выход радикалов, вероятно, потому что пузыри росли больше и схлопывались сильнее, а молекулы двигались быстрее и чаще сталкивались с радикалами. При ещё более высоких температурах кавитация становилась мягче и продуктивность падала. Кислая вода, особенно приближённая к составу водопроводной, а не ультрачистой, и мягкое перемешивание дополнительно способствовали образованию радикалов, обеспечивая больше газовых зародышей для пузырей и обновляя реакционную зону.

Что это может значить для чистой воды

В целом исследование показывает, что при тщательном контроле лазерные импульсы способны генерировать значительные количества гидроксильных радикалов прямо в воде, без добавления химических окислителей. Большинство радикалов образуются в ходе первого интенсивного схлопывания лазерных пузырей, вызванного сочетанием лазерных ударных волн, ударных волн при схлопывании пузыря и высокоскоростных водяных струй. Выбирая умеренные энергии лазера, низкие частоты повторения, слегка тёплую и слабо кислую водопроводную воду и проточный режим жидкости, авторы достигли одновременно высокого выхода радикалов и хорошей энергетической эффективности. Хотя технология ещё не готова для промышленной очистки в одиночку, она открывает перспективный путь к точно настраиваемым, бесконтактным процессам окисления, которые могли бы дополнить или улучшить будущие системы очистки воды и химического производства.

Цитирование: Zhou, X., Gu, J. Hydroxyl radical production in liquid water by laser cavitation. Sci Rep 16, 11251 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41073-6

Ключевые слова: лазерная кавитация, гидроксильные радикалы, продвинутое окисление, очистка сточных вод, кавитационные пузыри