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神奇的纳米气泡:不该存在却让太湖起死回生

发布时间:2018-11-19 浏览量:199

按物理学家的观点,这种纳米小气泡不应该存在,但它们偏偏存在;这还不算,它们的寿数长到足可让调查者失去耐性。而且,它们已经在许多范畴大显身手。

从远处看,这似乎是一幅田园风光:一只小舟悠闲地荡漾在湖面上,双桨横在其上,让人不由想起“野渡无人舟自横”的诗句。岸边,在遮阳篷下,一群游客们正围着一个大茶壶在繁忙着什么。

  但移近点看,工作就没那么美好了。绿莹莹的湖面,恶臭扑鼻,湖里了无活力,而这就是被誉为“中国鱼米之乡”的太湖在2007年前后的景象。因为数十年毫无顾忌的污水排放,又经历了一场旷日持久的干旱,那时太湖已经被很多繁殖的蓝藻所窒息。

  那群“游客”其实是来自中国科学院的科学家们,为首的名叫潘刚。那个看似大茶壶相同的东西,是一台机器。那条船并非为游客而备,它经过一条软管与岸边的机器相连,把机器里发生的一种充溢泡沫的泥浆朝湖面上抛洒。经过这种方法,他们正试图让太湖重现活力。

纳米气泡,生存还是破灭?
  那充溢泡沫的泥浆有什么魔力,竟能让太湖妙手回春?

  本来在这项实验中,起核心作用的是一种叫“纳米气泡”的东西。但是说来难以想象,物理学家至今对这种奇特小气泡的存在还无法解说哩。

  这种小气泡为何这么奇特?
  我们无妨先来看看一个气泡要保持不破所需的条件。拿肥皂泡来说,它的气泡壁是一层薄薄的水膜,泡内含有空气,构成往外膨胀的气压,而气泡壁又受着外面空气朝内的压力。当气泡内的压强恰好等于气泡外的压强与表面张力所构成的压强之和时,气泡才干安稳存在。但对于暴露在空气中的肥皂泡,其壁太薄,气泡内的气体分子很容易透过水膜逃逸出去,造成里面压强逐步下降了,降到一定程度,再也无法与外面的压强抗衡,所以气泡就破了。这种情况下,气泡可以说是被“压破”的。

  反之,假如里面的压强过大,气泡也相同要破。比如一个气泡从水下升至水表,外部的压强降低,无法与内部的压强抗衡,所以气泡也要破裂。这种情况下,气泡可以说是被“撑破”的。

  因为要保持气泡内外受力平衡的条件是如此软弱,所以一般来说,气泡的寿数都很短。小气泡特别如此。气泡越小,表面张力就越大,气泡内需求很高的压强才干与之抗衡。当气泡小到纳米量级,所需求抗衡的液体表面张力升到如此之高,以至于气泡还来不及构成果破裂了。所以,按物理学家的观点,纳米小气泡永久不会存在。

但有些古怪的是,工作并非如此。1994年,一位瑞士化学家把两块不沾水的资料浸入水中,想测量一下它们表面之间的作用力。当让两块资料平行挨近时,排斥力随着间隔的减小而增加。但是当两者之间的间隔只要几百个纳米时,这个排斥力突然下降了。这个现象当时弄得他莫名其妙。

  直到几年前,一位澳大利亚学者才给出了一个比较合理的解说。他认为资料的表面或许散布着很多纳米小气泡,当两表面挨近时,气泡和气泡会有兼并的倾向,因而在这一进程中会相互招引,这就使得两块表面之间的排斥力骤然下降了。经过一番计算,这种小气泡内部的压强高达100个大气压,差不多是水下1千米深场所承受的压强。

  这听起来几乎是不或许的,但2001年,在扫描显微镜的帮助下,有科学家在浸入水中的一块硅片上还真调查到了一些半球形的纳米小气泡,它们就像蘑菇相同附着在硅片表面。

  但没有人可以解说发生这种现象的原因。2011年,当一位荷兰科学用原子力显微镜调查纳米气泡时,发现了更古怪的现象:因为纳米气泡内部惊人的高气压,气体分子会很快逃逸出气泡壁。但一个纳米气泡里顶多只要几千个气体分子,而每秒钟逸出的气体分子却多达1亿个,真是奇哉怪也!而且,以这样快的速度损失气体,按理说,纳米气泡应该转瞬即逝,但又一次出人意料的是,它们能存在很长时间,你想调查多久,它们就能存在多久。

  这一切奇古怪怪的工作真让科学家不知所措。有人只好猜测,或许气泡内的气体不断得到补充。但这种解说也很成问题:要给气压如此之高的气泡充气,需求耗费能量,但能量来自何处?要是没有能量来源,那就破坏了热力学定律。

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