微纳米气泡超龟龄命原因原由分析

 

微纳米气泡的安定性不断存在争议，根据经典的Young–Laplace公式，当气泡体积越小，表面张力越大，内部压力越大，内部压力大会驱动气泡内气体向液体分散溶解，表面张力友善体丢掉的成果负气泡快速趋势缩小甚至分裂散失。比如，当气泡直径为159纳米时刻，其表面张力为13.93mN/m，可发生约莫452kPa的压力，相等于4.5个大气压。多么高的内压现已抵达气泡快速分裂的环境。理论上微纳米气泡不大约永劫间存在，但很多研讨创造微纳米气泡的寿数十分长。也就是说，理论上液体中微纳米气泡几乎不存在，但研讨依据评释液体中微纳米气泡能很多永劫间存在。

 

必要夸张的是，微纳米气泡龟龄命一个重要特色是有一个规范领域，约莫在150纳米附近，从50纳米到500纳米（图3），条件如温度、液体友善体身分不同这个领域有必定改变。赶过这个领域，如极小微纳米气泡，仍旧切合快速分裂的特色，赶过这个领域，恰利益于经典气泡具有紧缩趋势的领域。

不同规范气泡的特色

 

微纳米气泡超龟龄命的原因原由有三个假说。一种观念认为，微纳米气泡没有抵达安定均衡状况，而是处于亚安定状况，这种状况均衡速率十分愚钝。第二种观念认为，微纳米气泡是一种动态均衡状况，可是必要在过饱和溶液中。这种条件下，新的微纳米气泡不断构成和旧的气泡不断散失，两者抵达均衡状况。第三种观念认为，Young–Laplace公式对微纳米气泡不实用，因为微纳米气泡表面张力遭到界面曲度和内部气体压力影响十分大。如微纳米气泡内压力只要1.4个大气压，远小于凭证Young–Laplace公式的理论策画值。

 

微纳米气泡浮力十分小，而四周溶液分子活动影响相对很大，导致微纳米气泡永劫间悬浮在液体中。理论上5微米气泡就不会上升，因为这种气泡的浮力小于液体活动发生的影响，遭到气泡之间友善泡和液体分子之间影响也相比较较大。关于微纳米气泡内压，一些科学界不同意凭证Young–Laplace公式的理论策画值。Tolman策画了液滴的表面张力，提出跟着体积缩小表面张力相对失落。微纳米气泡内压力也大约低于Young–Laplace公式的理论策画值。Nagayama等举办的分子动力学仿照也创造，微纳米气泡内压力远低于Young–Laplace公式的理论策画值。Seung Hoon Oh等举办的氢气汽油内微纳米气泡的分析创造，氢气微纳米气泡寿数能够安定121天。

 

微纳米气泡安定的要害要素是zeta电位。微纳米气泡具有zeta电位，其特性就是气泡界面外侧呈负电，内侧呈正电。弯曲液体表面能发生电荷是因为水分子布局或分离性。电荷架空和表面张力效果倾向相反，具有失落内压和表面张力的效果。任何能增加负电荷的物质都有利于气液界面，如氢氧根离子或用防静电枪增加阴离子能缩小微纳米气泡直径。一般微纳米气泡直径约150纳米，二氧化碳微纳米气泡混杂1小时后直径只要73纳米，是因为二氧化碳气泡界面有高浓度碳酸根离子。与表面电荷相同，微纳米气泡之间缺少分子间范德瓦效果力（气泡内电子密度接近为零），也能阻止气泡融合。分析创造，微纳米气泡表面电荷能抵挡表面张力，阻止微纳米气泡内构成过高压，能筛选气体因高压向液体中溶解，阻止气泡发生崩解。气泡抵达均衡是安定的根柢，那么表面电荷密度对安定性是必要的。当微纳米气泡发生紧缩时，电荷密度随之增加，在这个进程中，电荷密度，电荷是负气泡扩张的效果。纵然在均衡状况，气泡内气体仍旧能够向未饱和的液体中溶解，除非这种液体表面也满盈该气体。

 

盐离子浓度是影响微纳米气泡安定性的负面要素。研讨创造，高盐离子能促进微纳米气泡集合和融合，集合是粒子电荷受离子强度粉碎导致的盐析征象，融合是因为气水界面发生了改变。微纳米气泡安定性也会遭到溶液性质如酸碱度的影响，理论上碱性约大，气泡体积越大。

 

除界面电荷是气泡安定性增加的重要要素外，气泡和溶液之间气体双向分散速率下降也是一种要害要素。重要原因原由是气泡四周存在一层壳体样布局，这层布局内气体溶解度远高于四周自由度高的液体环境，这种征象在界面微纳米气泡现已被证明，估计在体相微纳米气泡也存在相同布局（图4）。Ohgaki等创造，微纳米气泡表面的氢键更强，限定了气体从气泡表面向溶液中开释。这层布局觉得很相同生物大分子表面的联合水，这种水因为和生物分子构成安定的氢键，相同于晶体状况，活动度十分小，大约是导致气体溶解度增加的一个原因原由。这也相同于当时比力热门的界面水效应的观念，微纳米气泡大约大约算一种最安静的界面水溶液制备方法。上海生物物理所张立娟传授从前用同步辐射软X线对微纳米气泡表面这种水布局举办了研讨，证明是一种十分特别的水布局。

 

 微纳米气泡外壳

 

与一般纳米颗粒、胶体和油水乳液相同，微纳米气泡也具有自结构趋势。大约是因为界面电荷、长领域招引、分散愚钝和界面高浸透分泌压梯度等要素的团结效果。体相微纳米气泡刚性大，不简单被紧缩，可是拉伸简单扩张。

 

体相微纳米气泡数目多的环境如电解水微纳米气泡，表面水比力多，能构成更多氢键，水合效果更明显。微纳米气泡能前进水分子活动性，这种征象能够用T2加权NMR质子弛豫时刻延伸来分析。S. Liu, et al. Chem. Eng.Sci. 93 (2013) 250-256. 260纳米引发波长，微纳米气泡能够在345纳米和425纳米开释出两个单薄宽弱荧光带，大约是气泡界面水合离子化合物诱导的电荷密度发生。P. Vall?e,et al. J. Chem.Phys. 122 (2005) 114513.矿藏水中微纳米气泡能被磁化，这种磁化能连接1天以上。K. Uehara et al.Magnetics, 47 (2011) 2604-2607.

 

微纳米气泡检测方法

 

只管微纳米气泡十分安定，可是气泡大小分布、气泡数目和均匀大小都市跟着时刻发生改变。界面微纳米气泡检测常用原子力显微镜。体相微纳米气泡常用光散射、冷冻电子显微镜和共振质量测量，共振质量测量对区别固体颗粒是俭朴方便的技术。微纳米气泡溶液特色会跟着微纳米气泡等效直径、数目和大小分布的影响。不同方法大约会有不同的测定成果。

 

微纳米气泡遭到布朗活动影响大，表面有硬壳，其行为接近固体纳米颗粒。因而微纳米气泡能够用动态光散射方法举办测量，动态光散射是使用始末经过样品的反射波形改变举办分析。波形受颗粒布朗活动影响，大气泡发生的散射效果强，但波动比力慢。用Stokes-Einstein公式策画分散常数断定颗粒半径。D = kT/(3ηπd) （D =分散系数，k = 波尔兹曼常数，T = 绝对温度，η=粘度，d=颗粒直径）。这种方法最多能测量每毫升10亿微纳米气泡。分析整体信号能够得到气泡数目和大小分布，但不克不及得到每个气泡的活动环境。微纳米气泡活动必要用纳米颗粒盯梢分析方法。

 

纳米颗粒盯梢分析如NanoSight是相对分析方法，这种方法使用光散射盯梢小体积（80 pL）中的每个气泡，能断定特定时刻微纳米气泡在X或Y轴上的活动。颗粒活动速率决定于颗粒大小，体积越大速率越小。相抵挡动态光散射每毫升至少107个微纳米气泡，纳米颗粒盯梢分析能分析更低浓度微纳米气泡。

 

共振质量测量是对流过一个共振跳板微纳米气泡举办的测量，这是一种比力新的技术，能清楚区别固体友善体纳米颗粒。1微升微纳米气泡溶液经过共振器每分钟约12纳升，志向状况是每秒经过一个微纳米气泡，改变有用质量并被转换为共振频率。

 

库尔特氏计数器是病毒和细菌等微生物的计数设备，重要由两个小室构成，中心以不导电的薄隔板离隔，隔板带有大小与待计数的颗粒相同的单一小孔，每个小室都有电极。当微纳米气泡等颗粒进入微管时，因为管内液体被气泡替代，电阻发生改变，其改变和颗粒体积有关连，使用这个特性可对经过微管的微纳米气泡举办计数和体积策画。

 

直径赶过500纳米的大微纳米气泡能用高区分光学显微镜举办图画分析，观察时必要用亚甲蓝举办染色。也有使用气泡内气体身分的性质举办检测的方法，比如用红外勘探二氧化碳微纳米气泡。

 

Zeta电位也常常作为微纳米气泡勘探目标，研讨体现当zeta电位比力大时也是微纳米气泡安定性的原因原由，可是这种电位不克不及供给气泡数目和体积的信息。

 

有人说，微纳米气泡表面有负电位，真实就是这种Zeta 电位。微纳米气泡和胶体颗粒的性质相同，在表面都市构成一层电位，这种电位在物理学上有专门的称号，叫Zeta 电位。Zeta 电位岑岭是气泡直经在10-30微米时。在气泡直经减小小时有电位筛选的倾向。

 

因为疏散粒子表面带有电荷而招引四周的反号离子，这些反号离子在两相界面呈分散状况分布而构成分散双电层。测量Zeta 电位的方法重要有电泳法、电渗法、活动电位法和超声法，此中电泳法使用最广。测量微纳米气泡Zeta 电位可使用Zeta 电位分析仪。