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納米級(jí)的氣泡真實(shí)存在嗎?
日常日子中，咱們常?？吹皆S多氣泡，例如番筧氣泡、燒沸的水中上升的蒸汽氣泡和翻開(kāi)啤酒等飲料時(shí)溢出的氣泡等等。圖5 所示是啤酒中的氣泡。咱們對(duì)大的氣泡的印象是，它們都不安穩(wěn)，搖一搖瓶子就會(huì)消失或隨形成大氣泡跑掉。那么，當(dāng)氣泡的標(biāo)準(zhǔn)不斷縮小為納米標(biāo)準(zhǔn)，氣泡是否消失得更快，肉眼底子調(diào)查不到它們。啤酒中肉眼可見(jiàn)的氣泡

隨著先進(jìn)成像技能的開(kāi)展，如原子力顯微鏡的開(kāi)展，尤其是其在溶液環(huán)境下納米級(jí)成像技能以及多形式操作方法的完善，為觀測(cè)和研討知道納米氣泡發(fā)明了條件。2000 年，中國(guó)科學(xué)院上海使用物理研討所胡鈞課題組和日本的Ishida 等兩個(gè)獨(dú)立的試驗(yàn)室各自宣布了用TM-AFM 在試驗(yàn)中調(diào)查到的固液界面納米氣泡的圖畫(huà)。2001 年，澳大利亞的Attard 試驗(yàn)組也用原子力顯微鏡調(diào)查到了納米氣泡，宣布在重要期刊《物理評(píng)論》(Physics Review Letter)上。如圖6 所示，這些圖畫(huà)給出了界面納米氣泡直觀的描摹和長(zhǎng)時(shí)刻安穩(wěn)存在的直接依據(jù)，這些試驗(yàn)成果引起了極大重視。Chemical & Engineering News 和Physics News Update 等都對(duì)此進(jìn)行了評(píng)論，以為“納米氣泡的AFM直接成像對(duì)長(zhǎng)久以來(lái)的一個(gè)科學(xué)之謎進(jìn)行了探究和解說(shuō)”。之后，涌現(xiàn)出許多用原子力顯微鏡調(diào)查納米氣泡的工作。除AFM外的其他手法，如中子反射測(cè)定到疏水外表幾個(gè)納米的范圍內(nèi)水的濃度比體相中減少了10%—20%，這種現(xiàn)象被解說(shuō)為是因?yàn)榻缑骈g存在納米氣層或納米氣泡形成水密度下降。澳大利亞William Ducker等使用紅外光譜分析了二氧化碳納米氣泡在外表的紅外吸收。隨后其他課題組先后使用快速冷凍[18]、原位透射電子顯微鏡、全息內(nèi)反射熒光顯微鏡、干與增強(qiáng)反射顯微鏡等對(duì)納米氣泡的根本性質(zhì)進(jìn)行了研討。
 理論上能夠解說(shuō)納米氣泡的安穩(wěn)性嗎？
調(diào)查到納米氣泡后，人們企圖經(jīng)過(guò)理論來(lái)解說(shuō)納米氣泡的安穩(wěn)性。依據(jù)經(jīng)典理論納米氣泡內(nèi)部的壓力很大，其存在的時(shí)刻十分短。因而從理論上無(wú)法解說(shuō)這種安穩(wěn)存在。經(jīng)典Laplace 方程的表達(dá)式為
ΔP = 2γ/R ，
其間， ΔP 是氣泡表里的壓力差， γ是氣泡和液體的外表張力，R 是氣泡的半徑。依據(jù)Laplace 方程猜測(cè)，半徑為10 nm 氣泡內(nèi)部的壓力將到達(dá)144大氣壓。這么大的壓強(qiáng)勢(shì)必導(dǎo)致氣泡很快溶解到溶液中。Ljunggren 等人依據(jù)菲克第二規(guī)律和Henry規(guī)律核算了溶液中納米氣泡的壽數(shù)，成果表明半徑為10 nm的氮?dú)鈿馀莸膲蹟?shù)只有1 μs。試驗(yàn)成果和理論核算之間存在著極大的對(duì)立。那么，導(dǎo)致這種對(duì)立的原因在哪里呢？
人們企圖尋覓全部能夠用來(lái)解說(shuō)納米氣泡安穩(wěn)性的理論和方法。研討者們各持己見(jiàn)，企圖提出多種理論霸占這一難題。Yang 等提出，線張力的存在引起納米氣泡的觸摸角大于楊氏觸摸角，致使氣泡的曲率半徑增大，內(nèi)部的壓強(qiáng)減小，進(jìn)而延伸了納米氣泡的壽數(shù)；Ducker提出，有一層污染物膜吸附在納米氣泡的外表，下降了外表張力，引起觸摸角異常，氣泡內(nèi)Laplace壓力減小，阻止了氣體分散出納米氣泡，使得納米氣泡壽數(shù)得以延伸；Zhang 等根據(jù)氣體分散理論和Henry 規(guī)律核算了溶液中納米氣泡的壽數(shù)，以為納米氣泡之所以能夠安穩(wěn)存在是源于其內(nèi)部氣體的高密度狀態(tài)；Brenner 等以為納米氣泡的安穩(wěn)性源于進(jìn)出氣液界面的氣體分子到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡；Seddon 等以為納米氣泡內(nèi)部的氣體是Knudsen 氣體(氣體分子之間不存在彼此磕碰)，氣體從三相觸摸線處進(jìn)入納米氣泡內(nèi)部，補(bǔ)償了分散出氣液界面的氣體，在氣泡頂端和三相觸摸線之間形成了一個(gè)氣體環(huán)流，所以納米氣泡能夠安穩(wěn)存在?？墒沁@些理論猜測(cè)終究不是被試驗(yàn)現(xiàn)象推翻就是在解說(shuō)了一些問(wèn)題的同時(shí)又會(huì)引進(jìn)新的問(wèn)題，幾乎沒(méi)有哪一條理論能夠完美地解說(shuō)氣泡安穩(wěn)性而被研討者一起認(rèn)可。
近年來(lái)， Zhang 等、Liu 等、Weijs 和Lohse別離提出了三相線錨住理論模型。三相線固定主要是因?yàn)榛椎膸缀位蛘呋瘜W(xué)不均勻性引起的。如圖7 所示，因?yàn)槿嗑€固定的存在，當(dāng)氣泡縮短時(shí)，氣泡內(nèi)部的壓強(qiáng)會(huì)增大；當(dāng)氣泡成長(zhǎng)時(shí)，氣泡內(nèi)部的壓強(qiáng)也會(huì)變大。即受捆綁的界面納米氣泡的Laplace 壓強(qiáng)總是阻止氣泡的改變以保證其安穩(wěn)性。最近，Lohse 和Zhang又進(jìn)一步提出納米氣泡的安穩(wěn)性是由三相觸摸線錨住和氣體飽和度一起影響的成果，而且這一理論也能夠很好地解說(shuō)觸摸角的問(wèn)題，但需求指出的是，它只適用于單個(gè)納米氣泡的狀況，對(duì)于多個(gè)氣泡依然無(wú)法解說(shuō)。