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都听过纳米气泡,但你们了解它的化学特性吗

发布时间:2018-12-02 浏览量:173

日常日子中,我们常常看到许多气泡,例如番笕气泡、烧沸的水中上升的蒸汽气泡和翻开啤酒等饮料时溢出的气泡等等。图5 所示是啤酒中的气泡。我们对大的气泡的印象是,它们都不安稳,摇一摇瓶子就会消失或随构成大气泡跑掉。那么,当气泡的规范不断缩小为纳米规范,气泡是否消失得更快,肉眼底子查询不到它们。啤酒中肉眼可见的气泡

随着先进成像技能的开展,如原子力显微镜的开展,尤其是其在溶液环境下纳米级成像技能以及多形式操作办法的完善,为观测和研讨知道纳米气泡发明了条件。2000 年,中国科学院上海运用物理研讨所胡钧课题组和日本的Ishida 等两个独立的实验室各自宣告了用TM-AFM 在实验中查询到的固液界面纳米气泡的图像。2001 年,澳大利亚的Attard 实验组也用原子力显微镜查询到了纳米气泡,宣告在重要期刊《物理评论》(Physics Review Letter)上。如图6 所示,这些图像给出了界面纳米气泡直观的描摹和长时间安稳存在的直接依据,这些实验效果引起了极大注重。Chemical & Engineering News 和Physics News Update 等都对此进行了评论,认为“纳米气泡的AFM直接成像对长久以来的一个科学之谜进行了探究和说明”。之后,涌现出许多用原子力显微镜查询纳米气泡的作业。除AFM外的其他手法,如中子反射测定到疏水外表几个纳米的范围内水的浓度比体相中减少了10%—20%,这种现象被说明为是由于界面间存在纳米气层或纳米气泡构成水密度下降。澳大利亚William Ducker等运用红外光谱分析了二氧化碳纳米气泡在外表的红外吸收。随后其他课题组先后运用快速冷冻[18]、原位透射电子显微镜、全息内反射荧光显微镜、干与增强反射显微镜等对纳米气泡的根本性质进行了研讨。

理论上可以说明纳米气泡的安稳性吗?
查询到纳米气泡后,人们妄图通过理论来说明纳米气泡的安稳性。依据经典理论纳米气泡内部的压力很大,其存在的时间非常短。因而从理论上无法说明这种安稳存在。经典Laplace 方程的表达式为
ΔP = 2γ/R 
其间, ΔP 是气泡表里的压力差, γ是气泡和液体的外表张力,R 是气泡的半径。依据Laplace 方程猜想,半径为10 nm 气泡内部的压力将到达144大气压。这么大的压强势必导致气泡很快溶解到溶液中。Ljunggren 等人依据菲克第二规律和Henry规律核算了溶液中纳米气泡的寿数,效果标明半径为10 nm的氮气气泡的寿数只有1 μs。实验效果和理论核算之间存在着极大的敌对。那么,导致这种敌对的原因在哪里呢?

人们妄图寻找悉数可以用来说明纳米气泡安稳性的理论和办法。研讨者们各持己见,妄图提出多种理论霸占这一难题。Yang 等提出,线张力的存在引起纳米气泡的接触角大于杨氏接触角,致使气泡的曲率半径增大,内部的压强减小,进而延伸了纳米气泡的寿数;Ducker提出,有一层污染物膜吸附在纳米气泡的外表,下降了外表张力,引起接触角异常,气泡内Laplace压力减小,阻止了气体涣散出纳米气泡,使得纳米气泡寿数得以延伸;Zhang 等依据气体涣散理论和Henry 规律核算了溶液中纳米气泡的寿数,认为纳米气泡之所以可以安稳存在是源于其内部气体的高密度状态;Brenner 等认为纳米气泡的安稳性源于进出气液界面的气体分子到达动态平衡;Seddon 等认为纳米气泡内部的气体是Knudsen 气体(气体分子之间不存在互相磕碰),气体从三相接触线处进入纳米气泡内部,补偿了涣散出气液界面的气体,在气泡顶端和三相接触线之间构成了一个气体环流,所以纳米气泡可以安稳存在。可是这些理论猜想毕竟不是被实验现象推翻就是在说明了一些问题的同时又会引入新的问题,几乎没有哪一条理论可以完美地说明气泡安稳性而被研讨者一同认可。

近年来, Zhang 等、Liu 等、Weijs 和Lohse分别提出了三相线锚住理论模型。三相线固定主要是由于基底的几何或许化学不均匀性引起的。如图7 所示,由于三相线固定的存在,当气泡缩短时,气泡内部的压强会增大;当气泡成长时,气泡内部的压强也会变大。即受绑缚的界面纳米气泡的Laplace 压强总是阻止气泡的改变以保证其安稳性。最近,Lohse 和Zhang又进一步提出纳米气泡的安稳性是由三相接触线锚住和气体饱和度一同影响的效果,而且这一理论也可以很好地说明接触角的问题,但需求指出的是,它只适用于单个纳米气泡的情况,关于多个气泡仍然无法说明。

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