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理论上可以解释纳米气泡的稳定性吗?

发布时间:2019-01-03 浏览量:114

在日常生活中,我们经常会看到许多气泡,例如番禺气泡,沸水中的蒸汽气泡,以及当你打开啤酒等饮料时溢出的气泡。图5显示了啤酒中的气泡。我们对大气泡的印象是它们不稳定,并且随着大气泡的形成,瓶子的摇动将消失或消失。然后,当气泡标准继续缩小到纳米标准时,气泡消失得更快,并且肉眼不会研究它们。啤酒肉眼可见的气泡

随着先进成像技术的发展,如原子力显微镜的发展,特别是纳米级成像技术和溶液环境中的多形式操作方法,纳米气泡的条件被发现用于观察和讨论。 2000年,两个独立的实验室,即中国科学院上海应用物理研究所的Huxue集团和日本的石田,每个实验室都公布了TM-AFM研究的固液界面纳米气泡的图片。 2001年,澳大利亚的Attard测试团队也使用原子力显微镜研究纳米气泡,这在重要期刊《物理评论》(物理评论信)中公布。如图6所示,这些图为直接描述界面纳米气泡和长期稳定性的存在提供了直接的基础。这些实验结果引起了极大的关注。化学与化学“工程新闻与物理新闻更新”对此进行了评论,“AFM对纳米气泡的直接成像探索并解释了一个长期存在的科学谜团。”从那时起,已经开展了许多工作来用原子力显微镜研究纳米气泡。除了AFM之外,诸如中子反射的其他方法确定疏水表面的几纳米范围内的水浓度比体相中的水浓度低10%-20%。这种现象可通过界面之间存在纳米气体层来解释。或者纳米气泡形成水密度的降低。澳大利亚人William Ducker等人。用红外光谱分析表面二氧化碳纳米气泡的红外吸收。随后,其他研究小组采用快速冷冻[18],原位透射电子显微镜,全息内反射荧光显微镜,干法和增强反射显微镜来研究纳米气泡的基本性质。

理论上可以解释纳米气泡的稳定性吗?

在研究纳米气泡后,人们试图通过理论解释纳米气泡的稳定性。根据经典理论,纳米气泡内部的压力非常大,其存在的时刻非常短。因此,理论上不可能解释这种稳定性。经典拉普拉斯方程的表达式是

ΔP=2γ/R,

同时,ΔP是气泡台中的压力差,γ是气泡和液体的表面张力,R是气泡的半径。根据拉普拉斯方程,气泡内的压力将达到144个大气压,半径为10纳米。如此大的压力将不可避免地导致气泡快速溶解到溶液中。 Ljunggren等。根据菲克第二定律和亨利定律计算纳米气泡在溶液中的寿命。结果表明,半径为10 nm的氮气泡寿命仅为1μs。测试结果和理论会计之间存在很大的对立。那么,这种反对的原因是什么?

人们正试图找到可用于解释纳米气泡稳定性的所有理论和方法。研究人员持有自己的观点并试图提出各种理论来解决这个问题。杨等人。提出线张力的存在导致纳米气泡的接触角大于杨氏接触角,导致气泡的曲率半径增大和内压降低,从而延长了寿命纳米气泡; Ducker提出有一层污染物膜吸附在纳米气泡的表面上,这会降低表面张力,导致接触角异常,气泡中的拉普拉斯压力降低,防止气体分散出纳米气泡,这样可以延长纳米气泡的寿命;张等人。根据气体分散理论和亨利定律计算纳米气泡在溶液中的寿命,使纳米气泡的稳定存在是由于内部气体的高密度状态; Brenner等人。认为纳米气泡的稳定性是由于气体分子进入和离开气液界面的动态平衡所致; Seddon等人认为纳米气泡内的气体是Knudsen气体(气体分子不会相互碰撞),气体从三相接触线进入纳米气泡内部,补偿分散在气体中的气体 - 液体界面,在气泡尖端和三相触摸。在线之间形成气体循环,因此纳米气泡可以稳定地存在。 。然而,在解释一些问题时,这些理论推测并未被实验现象或新问题的引入所推翻。几乎没有理论可以完美地解释泡沫的稳定性,并且得到了研究人员的认可。

近年来,Zhang等人,Liu等人,Weijs和Lohse提出了一种三相线锚定理论模型。三相线的固定主要是由于基板的几何或化学不均匀性。如图7所示,由于三相线是固定的,当气泡缩短时,气泡内的压力增加;当气泡增长时,气泡内的压力也会变大。也就是说,成束的界面纳米气泡的拉普拉斯压力总是防止气泡改变以确保其稳定性。最近,Lohse和Zhang进一步提出纳米气泡的稳定性是三相触摸线锚定和气体饱和的结果,这个理论也可以很好地解释触角问题,但需求指出它只适用于条件对于单个纳米气泡,仍然无法解释多个气泡。

(4)提高溶解氧和透明度,促进生态系统的独立整治,促进水体的自净化;

(5)减少水分子团簇的结合,激活水体;

(6)激活“土着微生物”以提高生化降解能力;

(7)根据蓝藻,通过减少氮,磷等营养成分,快速杀灭蓝藻;

(8)降低浮泥层,促进沉积物表面矿化,并根据泥沙的沉积物释放到水体中。


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