納米氣泡簡介

摘要: 本文介紹了納米氣泡的發現、形貌、形成、性質及應用等知識，展望了研究納米氣泡的發展前景。

關鍵詞： 納米氣泡；疏水界面；邊界滑移

文章編號：1005－6629(2008)03－0041－03中圖分類號：G647.11 文獻標識碼：E

我們知道，水沸騰時會有大量的氣泡冒出，用洗衣粉洗衣服時也會有很多氣泡產生，這些氣泡都是可以用肉眼看見的，它們的尺寸的數量級大約是10-3—10-2m。是否有用肉眼看不到但又真實存在的氣泡呢？有，那就是納米級的氣泡，它們的尺寸的數量級是0.1-100nm。在上世紀末已經有人從實驗結果相繼提出固液界面存在納米氣泡，而近年來科學家通過原子力顯微鏡(AFM)直接觀察到了納米氣泡。最近納米氣泡已成為研究熱點，因為它涉及到表面科學、流體動力學、生物科學等系列應用領域，研究納米氣泡具有實際意義。下面我們擇要介紹納米氣泡的發現、形貌、形成、性質及應用等知識。

1 納米氣泡的發現

Hugo等人在研究表面疏水長程作用機制的過程中提出固液界面存在納米氣泡。關于疏水作用的來源有不同的假說，而固液界面存在納米氣泡的假說與實驗現象相符，因此逐步得到認可。但納米氣泡很難檢測，它的存在雖然有大量的間接證據支持，但一直沒有得到直接的實驗證實，直到2000年至2001年， Ishida N等人發表了納米氣泡的原子力顯微鏡圖像，才直接證實了納米氣泡的存在。圖1就是檢測到納米氣泡的原子力顯微鏡。

圖1 原子力顯微鏡

2 納米氣泡的形貌

由于實驗條件的差異，各國科學家對納米氣泡的形貌有不同的結論。Ishida等將疏水修飾的硅片直接浸入水中， 觀察到其表面形成稀疏的圓形氣泡。Tyrrell等觀察到疏水修飾玻璃上的納米氣泡無規律地密集分布，氣泡間相互交聯形成氣膜。Lou等在新解離的云母和高序石墨表面觀察到的納米氣泡多呈圓形和橢圓形。最近澳大利亞墨爾本大學William Ducker和張雪花進行的最新研究[1]得到如圖2所示納米氣泡的形貌。

圖2 電腦模擬的納米氣泡的形貌

圖片說明：突出的圓包就是固體材料上的納米氣泡

高度大約為10納米，底面跨度約1000納米

3 納米氣泡的形成

目前看來能夠形成納米氣泡的表面多是疏水的，疏水表面上形成氣泡的方法一般有四種:一是直接浸置法；二是外源法；三是醇水替換法；四是化學反應法。

3.1直接浸置法

在適當的條件下加熱水體，很容易使水中溶解的氣體達到過飽和， 因此氣體可能會在固液界面形成氣泡。直接浸置法就是將疏水表面直接浸在水中， 加熱使疏水表面從水中吸附氣體，形成納米氣泡。

3.2外源法

外源法就是利用外部空氣形成納米氣泡。外部空氣可以來源于疏水基底制備過程中固體表面在空氣中吸附的氣體，或者在氣液界面經過疏水表面時， 將空氣卷入形成納米氣泡。

3.3醇水替換法

醇水替換法就是在乙醇被水替換的過程中因醇水混合導致液體中大量的氣體析出，從而形成納米氣泡[3]。已有研究成果表明醇水替換能在疏水的高序熱解石墨和親水的云母表面形成納米氣泡。圖3就是利用AFM在云母表面觀察到的納米氣泡圖。

圖3 AFM測得的醇水替換在云母表面形成的納米氣泡

（掃描范圍：6.3um×6.3um，Z rang）

3.4 化學反應法

化學反應法就是利用化學反應產生氣體，從而形成納米氣泡。已研究成果表明利用化學反應產生大量二氧化碳，再用普通水與富含二氧化碳的溶液進行替換能形成大量的納米氣泡。

4 納米氣泡的性質

4.1 納米氣泡與疏水長程引力

浸在水中的兩個疏水固體表面相互靠近時，它們之間在相距較遠時就形成很強的吸引作用，稱作疏水長程引力。疏水長程引力是表面間最基本、最重要的一種作用，與表面浸潤、物質在表面的吸附和膠體的聚集、分散密切相關，也是了解蛋白質折疊、生物膜自組裝和乳狀液穩定性的基礎。納米氣泡的高度能決定疏水引力的范圍，使疏水引力具有不同尋常的作用范圍(幾十nm到幾百μm之間)；不同條件下納米氣泡有大有小， 所以疏水引力的范圍也有相應的長短變動。

4.2 納米氣泡與流體邊界滑移

一般情況下流體在完全潤濕的固體表面上不發生滑移，但一些研究表明在特定條件下液體在完全潤濕的固體表面也會發生滑移。俄羅斯化學家Vinogradova認為界面液體汽化形成納米級蒸汽泡，液體是在氣膜上流動，而不是直接在固體表面流動，此時流動的液體受阻會大大減少，應用在管道輸液（自來水、石油）中則可以大大降低能量的損耗。

4.3 納米氣泡與增氧作用

納米氣泡在水體中的增氧作用的效率相當高，僅數小時就可以使較大范圍內的水體溶解氧迅速提高。這是因為納米氣泡的表面積能有效增大，如0.1cm的大氣泡分散成100nm微氣泡，表面積增大10000倍，氣泡的表面能也從0.1卡增大到5-10卡，表面能的增大及氣泡內能量增大可以加強表面氧化反應，可以提高氧的利用率。

4.4 納米氣泡與酶解過程

納米氣泡的形成為酶解過程提供能量。在DNA水解過程中，DNA和酶的疏水部位發生空化形成納米氣泡，氣泡將水排出表面的過程中的能量是限制性內切酶的能量來源。有了這種能量來源，限制性內切酶可以將外來的DNA切斷，能夠限制異源DNA的侵入并使之失去活力，但對自身的DNA卻無損害作用，這樣可以保護細胞原有的遺傳信息。

4.5 納米氣泡與荷葉自潔效應

荷葉表面布滿許多乳突，而每個乳突上有許多直徑為200nm左右的突起。因此，在凹陷部分充滿著空氣，這樣就緊貼葉面內形成一層納米級厚度的空氣層。這就使得在尺寸上遠大納米氣泡的雨水在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面，這就是“荷葉效應”能自潔葉面的奧妙所在。

5 納米氣泡的應用

由于納米氣泡具有以上的特殊性質，決定了它在工農業上及人的生活環境上的有利的用途。本文將介紹它在礦石浮選、管道輸油、治理污水、治療癌癥及納米氣泡浴方面的應用。

5.1用于礦石浮選

礦石浮選一般采用泡沫浮選法。泡沫浮選就是在液體中導入空氣，形成大量氣泡，使其中的某種組分（有用的礦物或無用的泥砂、黏土等）附著在氣泡上而浮于液體表面，其他成分則沉積于底部，從而達到分離的目的。納米氣泡比表面積大、表面能高等優越性質意味著它的選擇性比一般氣泡要高，有利于礦石的浮選。圖4為間歇式泡沫分離塔的工作流程的示意圖。

圖4間歇式泡沫分離塔的工作流程

5.2用于管道輸油

在能源緊缺的今天，如何節省能源已成為熱點問題。石油作為主要能源之一，其開采、輸送主要還是靠管道，在輸送液體過程中若能使管道內表面和液體界面上存在納米氣泡，則可以提高液體的邊界滑移從而大大減少流動的粘滯阻力，從而節省能量和成本。

5.3 用于治理環境污水

我國有些河流污染比較嚴重，不能用作飲用水源，需要治理。治理除了清淤、截污外還急需增加溶解氧，而納米氣泡能有效地增加溶解氧作用。一個功率僅數百瓦的微細氣泡發生器能使直徑200m范圍內河水中的溶解氧從4mg增加到11mg，而同時使水體中的化學需氧量(COD)降低。

5.4 用于治療癌癥

在已有的對癌癥的研究中，如何提高藥物的治療效果一直是科學家研究的熱點。2005年幾位英國科學家在一項研究中發現[4]，利用納米氣泡破裂時產生的沖擊波可以提高藥物對癌細胞的治療效果。隨著研究的深入，我們相信癌癥不再會是不治之癥。

5.5 納米氣泡浴

水中如果含有大量的納米氣泡，就會降低水的透明度，顏色像牛奶一樣發白，故納米氣泡浴又稱牛奶浴。水中的氣泡從零開始增大至微米級氣泡而破滅，產生的低音頻率具有去除污垢的效果，同時低音頻率更具有刺激腦內啡的產生，令人有鎮靜與愉悅的感覺。此外，如果水中含有以氧氣產生的超微氧氣泡，當身體浸泡在這種含高氧量的水中，可以滋養皮膚、延緩老化，達到高氧療法之功效。

6 納米氣泡的發展前景

綜上所述，納米氣泡由于其獨特的優異性質，應用前景十分廣闊。隨著微流體系統的發展，流動裝置的小型化已成為一個巨大的挑戰，在微流體系統中納米氣泡對液體流動特征的影響可能會更加突出。微管道的表面特征是影響流動阻力的關鍵因素，納米氣泡所導致的界面性質改變及由此產生的影響可能會非常顯著。

將來納米氣泡可能還會在“奧運會游泳運動衣的設計”等許多方面具有重要的應用。比如游泳衣表面都涂有疏水性物質，若一種新的游泳衣在游泳過程中使表面形成一層納米氣泡層，則可以大大減少阻力，提高前進速度，有助于運動員取得優異成績。

目前國內外有關納米氣泡的制備技術僅處在實驗室階段，用于工業生產還處于探索性階段。這有待于從事表面和膠體、化學化工、材料及電子科學等的科學工作者共同努力，對納米氣泡進行更為深入的研究，不斷地挖掘出它的優點并能開發出更好、更實用、更經濟的工藝方法來制備納米氣泡，使納米氣泡在我國各工業生產行業和尖端高科技領域有更加廣泛的應用。

參考文獻：

[1]張雪花，胡鈞.固液界面納米氣泡的研究進展[J].化學進展.2004，16(5): 673-681.

[2]張雪花，樓柿濤等.固液界面納米氣泡的研究[J].電子顯微報.2003，22(2):136-141.

[3]馬士禹，陳邦林等.第十屆全國膠體與界面化學會議論文集[C].2004，364.

[4]M.Suzuki， K.Koshiyama. International CongressSeries. 2005，1284:338-339.

[5]Xue H. Zhang. Abbas Khan and William A. Ducker. Physical Review Letter. 2007， 136101:1-4.