纳米科学与技术论文(2)
纳米科学与技术论文篇二
纳米气泡简介
摘要: 本文介绍了纳米气泡的发现、形貌、形成、性质及应用等知识，展望了研究纳米气泡的发展前景。
关键词： 纳米气泡;疏水界面;边界滑移
文章编号：1005-6629(2008)03-0041-03中图分类号：G647.11 文献标识码：E
我们知道，水沸腾时会有大量的气泡冒出，用洗衣粉洗衣服时也会有很多气泡产生，这些气泡都是可以用肉眼看见的，它们的尺寸的数量级大约是10-3―10-2m。是否有用肉眼看不到但又真实存在的气泡呢?有，那就是纳米级的气泡，它们的尺寸的数量级是0.1-100nm。在上世纪末已经有人从实验结果相继提出固液界面存在纳米气泡,而近年来科学家通过原子力显微镜(AFM)直接观察到了纳米气泡。最近纳米气泡已成为研究热点，因为它涉及到表面科学、流体动力学、生物科学等系列应用领域,研究纳米气泡具有实际意义。下面我们择要介绍纳米气泡的发现、形貌、形成、性质及应用等知识。
1 纳米气泡的发现
Hugo等人在研究表面疏水长程作用机制的过程中提出固液界面存在纳米气泡。关于疏水作用的来源有不同的假说，而固液界面存在纳米气泡的假说与实验现象相符，因此逐步得到认可。但纳米气泡很难检测，它的存在虽然有大量的间接证据支持，但一直没有得到直接的实验证实，直到2000年至2001年, Ishida N等人发表了纳米气泡的原子力显微镜图像，才直接证实了纳米气泡的存在。图1就是检测到纳米气泡的原子力显微镜。
2 纳米气泡的形貌
由于实验条件的差异，各国科学家对纳米气泡的形貌有不同的结论。Ishida等将疏水修饰的硅片直接浸入水中, 观察到其表面形成稀疏的圆形气泡。Tyrrell等观察到疏水修饰玻璃上的纳米气泡无规律地密集分布,气泡间相互交联形成气膜。Lou等在新解离的云母和高序石墨表面观察到的纳米气泡多呈圆形和椭圆形。最近澳大利亚墨尔本大学William Ducker和张雪花进行的最新研究[1]得到如图2所示纳米气泡的形貌。
高度大约为10纳米，底面跨度约1000纳米
3 纳米气泡的形成
目前看来能够形成纳米气泡的表面多是疏水的,疏水表面上形成气泡的方法一般有四种:一是直接浸置法;二是外源法;三是醇水替换法;四是化学反应法。
3.1直接浸置法
在适当的条件下加热水体,很容易使水中溶解的气体达到过饱和, 因此气体可能会在固液界面形成气泡。直接浸置法就是将疏水表面直接浸在水中, 加热使疏水表面从水中吸附气体，形成纳米气泡。
3.2外源法
外源法就是利用外部空气形成纳米气泡。外部空气可以来源于疏水基底制备过程中固体表面在空气中吸附的气体，或者在气液界面经过疏水表面时, 将空气卷入形成纳米气泡。
3.3醇水替换法
醇水替换法就是在乙醇被水替换的过程中因醇水混合导致液体中大量的气体析出，从而形成纳米气泡[3]。已有研究成果表明醇水替换能在疏水的高序热解石墨和亲水的云母表面形成纳米气泡。图3就是利用AFM在云母表面观察到的纳米气泡图。
图3 AFM测得的醇水替换在云母表面形成的纳米气泡
(扫描范围：6.3um×6.3um,Z rang)
3.4 化学反应法
化学反应法就是利用化学反应产生气体，从而形成纳米气泡。已研究成果表明利用化学反应产生大量二氧化碳,再用普通水与富含二氧化碳的溶液进行替换能形成大量的纳米气泡。
4 纳米气泡的性质
4.1 纳米气泡与疏水长程引力
浸在水中的两个疏水固体表面相互靠近时,它们之间在相距较远时就形成很强的吸引作用，称作疏水长程引力。疏水长程引力是表面间最基本、最重要的一种作用,与表面浸润、物质在表面的吸附和胶体的聚集、分散密切相关,也是了解蛋白质折叠、生物膜自组装和乳状液稳定性的基础。纳米气泡的高度能决定疏水引力的范围,使疏水引力具有不同寻常的作用范围(几十nm到几百μm之间);不同条件下纳米气泡有大有小, 所以疏水引力的范围也有相应的长短变动。
4.2 纳米气泡与流体边界滑移
一般情况下流体在完全润湿的固体表面上不发生滑移，但一些研究表明在特定条件下液体在完全润湿的固体表面也会发生滑移。俄罗斯化学家Vinogradova认为界面液体汽化形成纳米级蒸汽泡,液体是在气膜上流动,而不是直接在固体表面流动，此时流动的液体受阻会大大减少,应用在管道输液(自来水、石油)中则可以大大降低能量的损耗。
4.3 纳米气泡与增氧作用
纳米气泡在水体中的增氧作用的效率相当高，仅数小时就可以使较大范围内的水体溶解氧迅速提高。这是因为纳米气泡的表面积能有效增大，如0.1cm的大气泡分散成100nm微气泡，表面积增大10000倍，气泡的表面能也从0.1卡增大到5-10卡，表面能的增大及气泡内能量增大可以加强表面氧化反应，可以提高氧的利用率。
4.4 纳米气泡与酶解过程
纳米气泡的形成为酶解过程提供能量。在DNA水解过程中,DNA和酶的疏水部位发生空化形成纳米气泡,气泡将水排出表面的过程中的能量是限制性内切酶的能量来源。有了这种能量来源，限制性内切酶可以将外来的DNA切断，能够限制异源DNA的侵入并使之失去活力，但对自身的DNA却无损害作用，这样可以保护细胞原有的遗传信息。
4.5 纳米气泡与荷叶自洁效应
荷叶表面布满许多乳突，而每个乳突上有许多直径为200nm左右的突起。因此，在凹陷部分充满着空气，这样就紧贴叶面内形成一层纳米级厚度的空气层。这就使得在尺寸上远大纳米气泡的雨水在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是“荷叶效应”能自洁叶面的奥妙所在。
5 纳米气泡的应用
由于纳米气泡具有以上的特殊性质，决定了它在工农业上及人的生活环境上的有利的用途。本文将介绍它在矿石浮选、管道输油、治理污水、治疗癌症及纳米气泡浴方面的应用。
5.1用于矿石浮选
矿石浮选一般采用泡沫浮选法。泡沫浮选就是在液体中导入空气，形成大量气泡，使其中的某种组分(有用的矿物或无用的泥砂、黏土等)附着在气泡上而浮于液体表面，其他成分则沉积于底部，从而达到分离的目的。纳米气泡比表面积大、表面能高等优越性质意味着它的选择性比一般气泡要高，有利于矿石的浮选。图4为间歇式泡沫分离塔的工作流程的示意图。
图4间歇式泡沫分离塔的工作流程
5.2用于管道输油
在能源紧缺的今天，如何节省能源已成为热点问题。石油作为主要能源之一，其开采、输送主要还是靠管道，在输送液体过程中若能使管道内表面和液体界面上存在纳米气泡，则可以提高液体的边界滑移从而大大减少流动的粘滞阻力，从而节省能量和成本。
5.3 用于治理环境污水
我国有些河流污染比较严重，不能用作饮用水源，需要治理。治理除了清淤、截污外还急需增加溶解氧，而纳米气泡能有效地增加溶解氧作用。一个功率仅数百瓦的微细气泡发生器能使直径200m范围内河水中的溶解氧从4mg增加到11mg，而同时使水体中的化学需氧量(COD)降低。
5.4 用于治疗癌症
在已有的对癌症的研究中，如何提高药物的治疗效果一直是科学家研究的热点。2005年几位英国科学家在一项研究中发现[4]，利用纳米气泡破裂时产生的冲击波可以提高药物对癌细胞的治疗效果。随着研究的深入，我们相信癌症不再会是不治之症。
5.5 纳米气泡浴
水中如果含有大量的纳米气泡，就会降低水的透明度，颜色像牛奶一样发白，故纳米气泡浴又称牛奶浴。水中的气泡从零开始增大至微米级气泡而破灭，产生的低音频率具有去除污垢的效果，同时低音频率更具有刺激脑内啡的产生，令人有镇静与愉悦的感觉。此外，如果水中含有以氧气产生的超微氧气泡，当身体浸泡在这种含高氧量的水中，可以滋养皮肤、延缓老化，达到高氧疗法之功效。
6 纳米气泡的发展前景
综上所述，纳米气泡由于其独特的优异性质，应用前景十分广阔。随着微流体系统的发展,流动装置的小型化已成为一个巨大的挑战，在微流体系统中纳米气泡对液体流动特征的影响可能会更加突出。微管道的表面特征是影响流动阻力的关键因素,纳米气泡所导致的界面性质改变及由此产生的影响可能会非常显著。
将来纳米气泡可能还会在“奥运会游泳运动衣的设计”等许多方面具有重要的应用。比如游泳衣表面都涂有疏水性物质，若一种新的游泳衣在游泳过程中使表面形成一层纳米气泡层，则可以大大减少阻力，提高前进速度，有助于运动员取得优异成绩。
目前国内外有关纳米气泡的制备技术仅处在实验室阶段，用于工业生产还处于探索性阶段。这有待于从事表面和胶体、化学化工、材料及电子科学等的科学工作者共同努力，对纳米气泡进行更为深入的研究，不断地挖掘出它的优点并能开发出更好、更实用、更经济的工艺方法来制备纳米气泡，使纳米气泡在我国各工业生产行业和尖端高科技领域有更加广泛的应用。
参考文献：
[1]张雪花,胡钧.固液界面纳米气泡的研究进展[J].化学进展.2004,16(5): 673-681.
[2]张雪花,楼柿涛等.固液界面纳米气泡的研究[J].电子显微报.2003,22(2):136-141.
[3]马士禹,陈邦林等.第十届全国胶体与界面化学会议论文集[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.
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