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纳米气泡超长寿命原因分析

纳米气泡的稳定性一直存在争议,按照经典的杨一拉普拉斯公式,气泡体积越小,表面张力越大,内部压强越大,内部压强大会驱动气泡内气体向液体扩散溶解,表面张力和气体逸出的结果使气泡快速趋向缩小甚至崩解消失。例如,当气泡直径为159纳米时,可产生大约4.5个大气压的内压。这样高的内压已达到气泡快速崩解的条件。理论上纳米气泡不可能长时间存在,但许多研究发现纳米气泡寿命非常长,在液体中纳米气泡能长时间大量存在。
 

需要强调的是,纳米气泡长寿命的一个重要特点是有一个尺度范围,大约在150纳米,并且在50~500纳米(见图4-3),条件如温度、液体和气体成分不同,这个范围有一定变化。当气泡直径小于50纳米,如极小纳米气泡,仍然符合快速崩解的特点;当气泡直径超过500纳米,正好处于经典气泡具有收缩趋势的范围。

纳米气泡超长寿命原因分析

图4-3 不同尺度气泡的特点
 

纳米气泡的浮力非常小,周围溶液分子运动影响相对很大,导致纳米气泡不能上浮到水面,可长时间悬浮在液体中。理论上5微米气泡就不会上升,这种气泡的浮力小于液体流动的干扰,气泡之间和气泡与液体分子之间的影响也相对比较大。关于纳米气泡内压,一些科学家不同意根据杨-拉普拉斯公式的理论计算值。杜尔曼计算了液滴的表面张力,并提出随着体积缩小,表面张力相对降低,纳米气泡内压强也可能低于杨-拉普拉斯公式的理论计算值。长山等进行的分子动力学模拟也发现,纳米气泡内压强远低于杨-拉普拉斯公式的理论计算值。吴承勋等进行的氢气汽油内纳米气泡的分析发现,氢气纳米气泡寿命可以稳定121天。
 

纳米气泡稳定的关键因素是电动电位。纳米气泡表面负电位就是这种电动电位。纳米气泡与胶体颗粒的性质类似,在表面都会形成一层电位,这种电位在物理学上有专门的名称,称为电动电位。纳米气泡电动电位的特征就是气泡界面外侧呈负电,内侧呈正电。电荷排斥与表面张力作用方向相反,具有降低内压和表面张力的作用。任何能增加负电荷的物质都有利于气一液界面,如用氢氧根离子或防静电枪增加阴离子能缩小纳米气泡直径。普通纳米气泡直径约为150纳米,二氧化碳纳米气泡混合1小时后直径只有73纳米,是因为二氧化碳气泡界面有高浓度碳酸根离子。与表面电荷类似,纳米气泡之间缺乏分子间作用力(气泡内电子密度接近于零),也能避免气泡融合。分析发现,纳米气泡表面电荷能对抗表面张力,避免纳米气泡内形成过高压,能减少气体因高压向液体中溶解,避免气泡发生崩解。气泡达到平衡是稳定的基础,那么表面电荷密度对于气泡稳定性是重要的。当纳米气泡发生收缩时,电荷密度随之增加,在这个过程中,电荷起到使气泡扩张的作用。即使在平衡状态,气泡内气体仍然可以向未饱和的液体中溶解,除非这种液体表面也充满该气体。
 

盐离子浓度是影响纳米气泡稳定性的负面因素。纳米气泡稳定性也会受溶液酸碱度等性质的影响,溶液碱性越强,气泡体积越大。气泡与溶液之间气体双向扩散、速率下降也是一种关键因素,这也类似于当前比较热门的界面水效应的概念,纳米气泡大概算是一种最安全的界面水溶液制备方法。中国科学院上海高等研究院张立娟等曾经用同步辐射软X射线对纳米气泡表面这种水结构进行了研究,证明纳米气泡壳是一种非常特殊的水结构。

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