本來被認為幾(ji)乎(hu)不可能存(cun)(cun)在的(de)(de)小尺度氣(qi)(qi)泡，竟(jing)然能長期穩定存(cun)(cun)在，一旦被確定就被工(gong)業尤(you)其是水處理領域重(zhong)視，納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡已經(jing)完成開(kai)始廣(guang)泛受質疑到廣(guang)泛受重(zhong)視的(de)(de)轉變(bian)。納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡技(ji)術也(ye)受到氫氣(qi)(qi)醫學(xue)領域的(de)(de)重(zhong)視，因為這種技(ji)術解(jie)決了(le)氣(qi)(qi)體溶解(jie)速度小，溶解(jie)度小的(de)(de)瓶頸，納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡已經(jing)成為氫氣(qi)(qi)醫學(xue)的(de)(de)最佳搭檔。

相變(bian)技(ji)(ji)術應(ying)用范(fan)圍廣泛，如環(huan)境、農業(ye)(ye)、醫療、化(hua)工(gong)和能源等領域。氣／液相變(bian)技(ji)(ji)術通常用于(yu)廢水(shui)和水(shui)處理技(ji)(ji)術、水(shui)生態系統恢復、食品加(jia)工(gong)、水(shui)產農業(ye)(ye)、石化(hua)等行業(ye)(ye)。大(da)多數氣液相變(bian)過程效率受到(dao)多種操(cao)作和介(jie)質性(xing)質的影(ying)(ying)響(xiang)。從(cong)傳質理論角度，首(shou)先考慮的優化(hua)策略是(shi)增加(jia)接(jie)觸(chu)表(biao)面面積(ji)。重要(yao)(yao)影(ying)(ying)響(xiang)因(yin)素(su)包(bao)(bao)括(kuo)混合器的設計、柱(zhu)包(bao)(bao)裹材料、擋板(ban)結構、噴淋方法(fa)、注射噴嘴(zui)、分布器設計等，次要(yao)(yao)影(ying)(ying)響(xiang)因(yin)素(su)包(bao)(bao)括(kuo)接(jie)觸(chu)相之間的熱傳質或(huo)反應(ying)表(biao)面。

一、什么是納米氣泡

氣泡(pao)是(shi)指液體內充滿氣體的(de)空(kong)穴，產生(sheng)氣泡(pao)的(de)基本條件(jian)是(shi)液體內氣泡(pao)內壓不(bu)(bu)小(xiao)于(yu)環境壓力(li)。氣泡(pao)表面擁有不(bu)(bu)同于(yu)氣泡(pao)所在(zai)(zai)液體性(xing)質的(de)成分。表面活性(xing)劑對氣泡(pao)的(de)形(xing)成十分重要但并不(bu)(bu)是(shi)必(bi)須條件(jian)。由于(yu)浮力(li)比較大，大氣泡(pao)一般會迅速上(shang)升到(dao)表面崩(beng)解(jie)，直(zhi)徑小(xiao)于(yu)1微(wei)米(mi)的(de)氣泡(pao)也就是(shi)微(wei)納米(mi)氣泡(pao)因存在(zai)(zai)目前不(bu)(bu)了(le)解(jie)的(de)機(ji)制，能在(zai)(zai)液體中長時間穩定存在(zai)(zai)。

納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)技術領(ling)域，一(yi)般習慣(guan)把(ba)100納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)以(yi)下作為(wei)(wei)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)顆粒的(de)(de)最大(da)尺度，但是(shi)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡直徑一(yi)般是(shi)大(da)于100納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)，氣(qi)(qi)(qi)泡研究領(ling)域一(yi)般把(ba)1000納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)以(yi)下作為(wei)(wei)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡或微納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡，100微米(mi)(mi)(mi)(mi)以(yi)下為(wei)(wei)細(xi)小氣(qi)(qi)(qi)泡。納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡有兩種(zhong)(zhong)(zhong)基(ji)本類(lei)型(xing)，一(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)是(shi)非球形界面(mian)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡，是(shi)固(gu)定分布在液(ye)(ye)體(ti)和固(gu)體(ti)界面(mian)上的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)泡，這(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)氣(qi)(qi)(qi)泡在學術界被(bei)研究相對充分，但應用相對少。另一(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)就是(shi)我們比較熟悉的(de)(de)體(ti)相納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡，就是(shi)懸浮在液(ye)(ye)體(ti)中的(de)(de)球形納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡。本文(wen)主要指體(ti)相納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡。

雖(sui)然(ran)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)的(de)研(yan)究歷史已經超(chao)過半個(ge)世紀(ji)，但是(shi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)的(de)類(lei)(lei)(lei)型和(he)(he)分(fen)類(lei)(lei)(lei)一(yi)直存(cun)在(zai)爭議(yi)。學術上對氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)分(fen)類(lei)(lei)(lei)主要(yao)根據氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)性質的(de)不同，最常用的(de)指(zhi)標(biao)是(shi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)大小(xiao)、表面特(te)征和(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)壽命(ming)。這些特(te)征主要(yao)決定(ding)于氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)大小(xiao)，因此許多學者把氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)大小(xiao)作為唯一(yi)分(fen)類(lei)(lei)(lei)標(biao)準。按照這個(ge)標(biao)準，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)被分(fen)為大氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)、微米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)、亞(ya)微米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)或納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)，也有(you)采用更通俗分(fen)類(lei)(lei)(lei)為大氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)、小(xiao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)和(he)(he)超(chao)小(xiao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)。雖(sui)然(ran)學者們對氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)的(de)大小(xiao)范圍具體有(you)不同看法，但大多數同意微氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)直徑應該在(zai)10－100微米(mi)(mi)的(de)范圍，1-10微米(mi)(mi)為亞(ya)微米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)，10-1000納(na)米(mi)(mi)為納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)。

經典理論認(ren)為(wei)(wei)(wei)(wei)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)越小表(biao)(biao)面張(zhang)力越大，納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)表(biao)(biao)面張(zhang)力大造(zao)成內壓(ya)非(fei)常高，因此納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)存(cun)在(zai)性和(he)穩定性一直(zhi)(zhi)是有(you)爭議的(de)(de)(de)(de)話(hua)題。許(xu)多(duo)學(xue)者(zhe)使用不(bu)(bu)同技術探測納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)。與大氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)研(yan)究(jiu)一樣(yang)，學(xue)者(zhe)們沒有(you)糾結于(yu)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)(de)(de)(de)定義。有(you)學(xue)者(zhe)甚至忽視(shi)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)和(he)微(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)存(cun)在(zai)被忽視(shi)的(de)(de)(de)(de)直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)范圍，認(ren)為(wei)(wei)(wei)(wei)直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)小于(yu)200納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)為(wei)(wei)(wei)(wei)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，10微(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)以上的(de)(de)(de)(de)為(wei)(wei)(wei)(wei)微(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，對200納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)到10微(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)不(bu)(bu)去(qu)理會，也有(you)學(xue)者(zhe)把200納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)－10微(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)定義為(wei)(wei)(wei)(wei)微(wei)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，這說明對超(chao)細小氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)(de)(de)(de)分(fen)類缺乏清晰的(de)(de)(de)(de)標準。2012年(nian)，吳等(deng)定義納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)和(he)亞(ya)微(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，認(ren)為(wei)(wei)(wei)(wei)500納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)以下為(wei)(wei)(wei)(wei)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)和(he)亞(ya)微(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)。最近有(you)學(xue)者(zhe)認(ren)為(wei)(wei)(wei)(wei)直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)小于(yu)數百納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)為(wei)(wei)(wei)(wei)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，這不(bu)(bu)僅含糊而(er)且存(cun)在(zai)矛盾。總之(zhi)，納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)最大尺(chi)度(du)存(cun)在(zai)不(bu)(bu)同看法，直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)小于(yu)1微(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)因為(wei)(wei)(wei)(wei)尺(chi)度(du)和(he)特(te)征(zheng)類似可分(fen)類為(wei)(wei)(wei)(wei)超(chao)細氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)或納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)。

氣泡(pao)(pao)(pao)分類不僅(jin)根(gen)(gen)據大(da)小，而且根(gen)(gen)據其特(te)征(zheng)和在液體中的(de)(de)行為。圖(tu)1對不同氣泡(pao)(pao)(pao)大(da)小的(de)(de)分類進行了匯總(zong)。1－10微(wei)(wei)米氣泡(pao)(pao)(pao)其大(da)小和特(te)征(zheng)都介于微(wei)(wei)米氣泡(pao)(pao)(pao)和納米氣泡(pao)(pao)(pao)之(zhi)間(jian)，被歸類到亞微(wei)(wei)米氣泡(pao)(pao)(pao)。雖(sui)然學(xue)術界對微(wei)(wei)米氣泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)特(te)征(zheng)有一致看法，但(dan)是(shi)對氣泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)大(da)小范(fan)圍沒有統(tong)一標準。

圖1.氣(qi)泡大(da)小和特征

TemesgenT,Bui TT,Han M,Kim TI,Park H.Micro and nanobubble technologies as a new horizonfor water-treatment techniques:A review.Adv Colloid Interface Sci.2017Aug;246:40-51.doi:10.1016/j.cis.2017.06.011.Epub 2017 Jun 27.

二、納米氣泡特征

符合(he)納米材料規(gui)律，納米氣(qi)泡也具(ju)有(you)(you)比(bi)表面(mian)積大的(de)(de)特點(dian)，這(zhe)也是納米氣(qi)泡作為氣(qi)液技術應該的(de)(de)重要基礎。另外，納米氣(qi)泡還(huan)具(ju)有(you)(you)剛性大，表面(mian)有(you)(you)負(fu)電荷(he)，浮力小，穩(wen)定性極好，長壽命等(deng)特點(dian)，決定了納米氣(qi)泡的(de)(de)特殊用途。納米氣(qi)泡內壓(ya)和穩(wen)定性方(fang)面(mian)，存在理論計算和事(shi)實不(bu)符的(de)(de)情況(kuang)，目(mu)前并沒有(you)(you)明確(que)的(de)(de)結論。

氣泡表(biao)(biao)面(mian)積和氣泡直徑呈負相關(guan)關(guan)系，（表(biao)(biao)面(mian)積A和直徑D的數學關(guan)系A＝6/D）。因此同(tong)樣體積的氣泡，100納米直徑氣泡表(biao)(biao)面(mian)積是10微米直徑面(mian)積的100倍。

理(li)論上氣(qi)泡(pao)(pao)形成(cheng)消耗能量依賴于(yu)(yu)(yu)(yu)界(jie)面(mian)(mian)面(mian)(mian)積(ji)，界(jie)面(mian)(mian)面(mian)(mian)積(ji)決(jue)定于(yu)(yu)(yu)(yu)氣(qi)泡(pao)(pao)表(biao)面(mian)(mian)張力。直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)小(xiao)于(yu)(yu)(yu)(yu)25微(wei)米的(de)小(xiao)氣(qi)泡(pao)(pao)表(biao)面(mian)(mian)剛性(xing)強(qiang)，類似于(yu)(yu)(yu)(yu)高壓氣(qi)球，不容易破(po)(po)裂。數(shu)毫米直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)的(de)大氣(qi)泡(pao)(pao)表(biao)面(mian)(mian)比較柔軟，很容易變形破(po)(po)裂。大氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)浮力比較大很容易上升到液面(mian)(mian)。Stokes公(gong)式R=ρgd2/18μ（ρ=密度(du)(du)(du)，g=重(zhong)力加(jia)速(su)(su)度(du)(du)(du)，d=氣(qi)泡(pao)(pao)直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)，μ=粘滯(zhi)度(du)(du)(du)）可計算氣(qi)泡(pao)(pao)上浮速(su)(su)度(du)(du)(du)。氣(qi)泡(pao)(pao)上漂(piao)浮速(su)(su)度(du)(du)(du)和氣(qi)泡(pao)(pao)直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)的(de)平方成(cheng)正(zheng)比，這種關系(xi)只使(shi)用(yong)于(yu)(yu)(yu)(yu)小(xiao)氣(qi)泡(pao)(pao)。直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)大于(yu)(yu)(yu)(yu)2毫米的(de)大氣(qi)泡(pao)(pao)由于(yu)(yu)(yu)(yu)外形發生(sheng)變化(hua)，上升速(su)(su)度(du)(du)(du)并不會受直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)影響。低于(yu)(yu)(yu)(yu)1微(wei)米的(de)納米氣(qi)泡(pao)(pao)上升速(su)(su)度(du)(du)(du)非常慢(man)，遠(yuan)低于(yu)(yu)(yu)(yu)布(bu)朗運動，整體上表(biao)現為不上升。

除了浮(fu)力(li)外，直(zhi)徑小(xiao)于25-50微米的(de)(de)小(xiao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)有自(zi)動收縮(suo)特性(xing)。根據Henry定律(lv)，溶(rong)(rong)(rong)(rong)液中溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)的(de)(de)分壓與氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)分壓一(yi)致(zhi)(zhi)時，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)和(he)溶(rong)(rong)(rong)(rong)液中氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)向氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)釋放達到(dao)平衡(heng)。小(xiao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)由于表(biao)面張(zhang)力(li)作用內(nei)(nei)壓增加，造成氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)分壓超過(guo)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)周(zhou)(zhou)圍(wei)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)分壓，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)超周(zhou)(zhou)圍(wei)靜(jing)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)，這會(hui)導(dao)致(zhi)(zhi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)進(jin)一(yi)步縮(suo)小(xiao)，體(ti)積縮(suo)小(xiao)導(dao)致(zhi)(zhi)表(biao)面張(zhang)力(li)效(xiao)應(ying)增強，導(dao)致(zhi)(zhi)正反(fan)饋效(xiao)應(ying)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)會(hui)迅速(su)崩潰。相反(fan)大(da)(da)(da)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)因為上升(sheng)周(zhou)(zhou)圍(wei)靜(jing)水壓下(xia)降(jiang)(jiang)導(dao)致(zhi)(zhi)內(nei)(nei)壓降(jiang)(jiang)低(di)(di)，減壓導(dao)致(zhi)(zhi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)體(ti)積增大(da)(da)(da)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)分壓降(jiang)(jiang)低(di)(di)，導(dao)致(zhi)(zhi)溶(rong)(rong)(rong)(rong)液中氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)向氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)靜(jing)釋放，這會(hui)導(dao)致(zhi)(zhi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)體(ti)積增大(da)(da)(da)，表(biao)面張(zhang)力(li)效(xiao)應(ying)降(jiang)(jiang)低(di)(di)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)壓進(jin)一(yi)步降(jiang)(jiang)低(di)(di)。所(suo)以，在(zai)某(mou)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)飽和(he)溶(rong)(rong)(rong)(rong)液中，這種氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)有大(da)(da)(da)者增大(da)(da)(da)，小(xiao)者縮(suo)小(xiao)的(de)(de)趨勢。看來氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)也(ye)恰好符合馬(ma)太(tai)效(xiao)應(ying)。

這種(zhong)情(qing)況非常符(fu)合潛水(shui)員減壓(ya)(ya)(ya)病(bing)發(fa)生的(de)過程，潛水(shui)員在水(shui)下(xia)停(ting)留一定時間后，體(ti)液中氣體(ti)達(da)到一定飽和(he)度(du)(du)，一旦返回水(shui)面速度(du)(du)過快，身體(ti)內一些(xie)氣泡(pao)會因為(wei)環境壓(ya)(ya)(ya)下(xia)降而增(zeng)大，這種(zhong)趨勢過于嚴(yan)重就(jiu)導致(zhi)氣體(ti)阻斷(duan)血流壓(ya)(ya)(ya)迫組織等后果(guo)，就(jiu)是(shi)典型的(de)減壓(ya)(ya)(ya)病(bing)。治療減壓(ya)(ya)(ya)病(bing)的(de)原(yuan)理也很容(rong)易，就(jiu)是(shi)把潛水(shui)員進行(xing)重新加壓(ya)(ya)(ya)，加壓(ya)(ya)(ya)的(de)結果(guo)就(jiu)是(shi)把大氣泡(pao)變(bian)成小(xiao)氣泡(pao)，小(xiao)氣泡(pao)有變(bian)小(xiao)消失的(de)趨勢，解決了(le)氣泡(pao)就(jiu)解除了(le)病(bing)因。

圖2.經典氣泡的馬(ma)太(tai)效應

納米(mi)氣(qi)泡也存(cun)在(zai)比較(jiao)強的靜電場，能(neng)避免氣(qi)泡發生融合，對抗(kang)浮(fu)力作用(yong)。在(zai)水平電場中(zhong)，氣(qi)泡電荷決(jue)定于水平速度v=ζε/μ（v=水平速度，ζ=zeta電位(V),ε=水的介電常數(s2×C2×kg-1×m-3)，μ=粘滯度(Pa×s).）

zeta電位(wei)一(yi)般是負值，但(dan)大多(duo)數與(yu)氣(qi)(qi)泡(pao)直徑(jing)無(wu)關。zeta電位(wei)受水的pH值影響非常大，也(ye)(ye)受到(dao)離子強度(du)影響（離子濃度(du)越(yue)大，zeta電位(wei)越(yue)低）。所有氣(qi)(qi)泡(pao)都具有負電位(wei)，相(xiang)互之間的靜電排斥力能限制氣(qi)(qi)泡(pao)融合(he)(he)。因(yin)為氣(qi)(qi)泡(pao)越(yue)小(xiao)，需要的能量越(yue)大，因(yin)此小(xiao)氣(qi)(qi)泡(pao)分(fen)裂也(ye)(ye)不容易發(fa)生(sheng)。所以，小(xiao)氣(qi)(qi)泡(pao)可以增大或縮(suo)小(xiao)，但(dan)不容易發(fa)生(sheng)融合(he)(he)和破裂。

不可溶(rong)(rong)性氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體可以形(xing)成超(chao)長(chang)壽命(ming)的(de)(de)納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)。根(gen)據Laplace公(gong)式(shi)，Pi＝Po＋4γ/d，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)內壓(ya)等于(yu)環境壓(ya)與4γ/d的(de)(de)和（γ是(shi)表(biao)面(mian)張力(N m-1)，d是(shi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)直徑(jing)(m)），氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)直徑(jing)越小，內壓(ya)越大。10微米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)內壓(ya)約1.3個(ge)大氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)，100微米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)約1.03個(ge)大氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)。根(gen)據計算，納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)內壓(ya)會達到非常(chang)高(gao)水平，足以讓內部(bu)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體迅(xun)速(su)溶(rong)(rong)解消失。這(zhe)和納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)具有(you)長(chang)壽命(ming)的(de)(de)事實不符，說明這(zhe)種(zhong)理論本身存(cun)在(zai)(zai)缺陷。現(xian)在(zai)(zai)還不能(neng)(neng)確(que)定Laplace公(gong)式(shi)是(shi)否適合于(yu)納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)，但是(shi)在(zai)(zai)沒(mei)有(you)電荷等其它(ta)影響因(yin)素存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)情況下，150納(na)米(mi)液滴(di)（類(lei)似(si)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)）表(biao)面(mian)張力確(que)實能(neng)(neng)提高(gao)20倍。修改理論或(huo)尋(xun)找原因(yin)都有(you)可能(neng)(neng)。有(you)人提出可能(neng)(neng)是(shi)表(biao)面(mian)材料對表(biao)面(mian)張力產(chan)生(sheng)的(de)(de)影響，也有(you)人認為是(shi)過飽(bao)和溶(rong)(rong)液能(neng)(neng)降(jiang)(jiang)低(di)納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)表(biao)面(mian)張力，也是(shi)納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)長(chang)壽命(ming)的(de)(de)原因(yin)。如氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)液界(jie)面(mian)包含表(biao)面(mian)活性劑(ji)（故意(yi)或(huo)偶(ou)然）如蛋白質(zhi)或(huo)去垢劑(ji)，表(biao)面(mian)活性劑(ji)能(neng)(neng)降(jiang)(jiang)低(di)表(biao)面(mian)張力，降(jiang)(jiang)低(di)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)內壓(ya)，增加(jia)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)穩(wen)定性。超(chao)聲氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)造影劑(ji)和藥物輸送氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)就(jiu)是(shi)利(li)用這(zhe)樣的(de)(de)原理。

納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)是有(you)效的(de)氣(qi)液相處理過程，過去20年(nian)，這一技(ji)術(shu)受(shou)到大量(liang)研(yan)究(jiu)人員的(de)關注。多數研(yan)究(jiu)集中(zhong)在(zai)微納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)制備(bei)、測定(ding)和超細(xi)微氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)特性分類等方面(mian)。最(zui)近有(you)研(yan)究(jiu)探(tan)索(suo)了微納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)工業化(hua)應用的(de)可能性。根據初步研(yan)究(jiu)結果(guo)，許多學(xue)者(zhe)提出，水處理技(ji)術(shu)是微納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)最(zui)有(you)前(qian)景的(de)領域。即使最(zui)有(you)前(qian)景的(de)水處理領域，納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)研(yan)究(jiu)仍然(ran)不充分，如現(xian)有(you)研(yan)究(jiu)對氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)大小的(de)定(ding)義(yi)(yi)和分類方面(mian)都沒有(you)統(tong)一認(ren)識。本文重(zhong)點對微納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)定(ding)義(yi)(yi)和分類、一般制備(bei)技(ji)術(shu)和表征測量(liang)方法等進行(xing)綜(zong)述(shu)。

三、納米氣泡制備方法

氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)產生(sheng)是(shi)(shi)靜(jing)態(tai)或準靜(jing)態(tai)過程(cheng)，然后(hou)進入融合和(he)(he)破裂的(de)(de)動態(tai)過程(cheng)，氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)形成(cheng)、增大和(he)(he)崩潰空化(hua)過程(cheng)。根據氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)內容的(de)(de)不同，空化(hua)分為(wei)霧空化(hua)和(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)空化(hua)。氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)形成(cheng)主要是(shi)(shi)在特定溫(wen)度(du)情況下壓強下降到某一個閾值，這(zhe)類(lei)似(si)于沸(fei)騰，區別是(shi)(shi)壓強降低而不是(shi)(shi)溫(wen)度(du)增加。氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)融合和(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)崩潰是(shi)(shi)小氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)兩種相反(fan)狀態(tai)，小氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)結合起來可以變(bian)成(cheng)大氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)，也能通過崩潰變(bian)成(cheng)更小的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)。

學者(zhe)根(gen)據不同需(xu)要(yao)使用(yong)(yong)(yong)(yong)不同技(ji)術(shu)制(zhi)備(bei)小氣泡(pao)，氣泡(pao)制(zhi)備(bei)方(fang)法主要(yao)包括水(shui)(shui)(shui)力(li)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)和(he)顆(ke)粒(li)(li)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)、聲(sheng)學或(huo)聲(sheng)波降解(jie)法、電化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學氣蝕和(he)機械攪(jiao)拌等。所有(you)這些技(ji)術(shu)背后的(de)物理(li)(li)學基礎都是(shi)(shi)利益表(biao)面張力(li)和(he)能(neng)量(liang)消耗降低壓強。降壓強空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)有(you)兩種技(ji)術(shu)，一是(shi)(shi)利用(yong)(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)流湍流造(zao)(zao)成(cheng)壓強改(gai)變的(de)水(shui)(shui)(shui)力(li)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)，另一個是(shi)(shi)使用(yong)(yong)(yong)(yong)聲(sheng)波的(de)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)作用(yong)(yong)(yong)(yong)。局部能(neng)量(liang)耗竭(jie)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)可以(yi)用(yong)(yong)(yong)(yong)光源光子或(huo)其他基本(ben)粒(li)(li)子誘導(dao)。在水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)技(ji)術(shu)中，水(shui)(shui)(shui)力(li)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)是(shi)(shi)最常用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)氣泡(pao)制(zhi)造(zao)(zao)技(ji)術(shu)，可以(yi)通(tong)過(guo)加(jia)壓飽和(he)、氣泡(pao)剪切、分裂(lie)和(he)機械攪(jiao)拌等。聲(sheng)或(huo)聲(sheng)波系統使用(yong)(yong)(yong)(yong)超(chao)聲(sheng)波，超(chao)聲(sheng)波探頭有(you)的(de)放在液(ye)體(ti)(ti)內，也(ye)有(you)放在液(ye)體(ti)(ti)外的(de)。聲(sheng)波空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)是(shi)(shi)利用(yong)(yong)(yong)(yong)聲(sheng)波在液(ye)體(ti)(ti)中產生的(de)高(gao)負壓超(chao)過(guo)周(zhou)圍靜水(shui)(shui)(shui)壓產生空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)作用(yong)(yong)(yong)(yong)。聲(sheng)波空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)有(you)兩種情況(kuang)，第(di)一種情況(kuang)是(shi)(shi)均勻成(cheng)核。是(shi)(shi)液(ye)體(ti)(ti)在破裂(lie)時聲(sheng)波引起的(de)拉應(ying)力(li)超(chao)過(guo)分子間作用(yong)(yong)(yong)(yong)力(li)。實現這一目(mu)標所需(xu)的(de)能(neng)量(liang)遠遠大于(yu)理(li)(li)論(lun)計算值。因為液(ye)體(ti)(ti)本(ben)身具(ju)有(you)非均勻性(xing)，氣泡(pao)出現具(ju)有(you)不確(que)定性(xing)。第(di)二種類(lei)型(xing)的(de)空(kong)(kong)泡(pao)是(shi)(shi)異相成(cheng)核。空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)在液(ye)體(ti)(ti)最薄(bo)弱的(de)區域(yu)出現。例如液(ye)體(ti)(ti)中本(ben)來存在不容(rong)易擴散(san)的(de)氣體(ti)(ti)。電化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學系統是(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)表(biao)面產生電流形(xing)成(cheng)氣泡(pao)的(de)方(fang)法。機械空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)是(shi)(shi)利用(yong)(yong)(yong)(yong)高(gao)速(su)攪(jiao)拌的(de)方(fang)法將有(you)限體(ti)(ti)積的(de)氣體(ti)(ti)和(he)液(ye)體(ti)(ti)進行(xing)混合，其原理(li)(li)和(he)水(shui)(shui)(shui)力(li)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)類(lei)似。

納米氣泡(pao)的基本制造方(fang)法(fa)(fa)有四類，一(yi)是(shi)加減壓法(fa)(fa)，二是(shi)機械旋切法(fa)(fa)，三是(shi)超聲(sheng)空化法(fa)(fa)，四是(shi)湍流(liu)管法(fa)(fa)。一(yi)般(ban)是(shi)將多種方(fang)法(fa)(fa)聯合(he)起來使用，可以(yi)獲得比較好的效果。

四、納米氣泡超長壽命原因分析

納米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)性一直(zhi)存在爭議，按照經典的(de)(de)(de)Young–Laplace公式，當氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)體積(ji)越小(xiao)，表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)(li)越大(da)，內(nei)部(bu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)越大(da)，內(nei)部(bu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)大(da)會驅動(dong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體向液體擴散溶解，表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)(li)和(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體丟(diu)失的(de)(de)(de)結果使氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)快速(su)趨(qu)向縮小(xiao)甚至崩(beng)潰消失。例如，當氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)直(zhi)徑為(wei)159納米(mi)時(shi)(shi)候，其表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)(li)為(wei)13.93mN/m，可產(chan)生大(da)約452kPa的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)，相當于4.5個大(da)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)。這樣高的(de)(de)(de)內(nei)壓(ya)(ya)(ya)已經達到氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)快速(su)崩(beng)潰的(de)(de)(de)情況。理論上納米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)不可能(neng)長時(shi)(shi)間(jian)存在，但許(xu)多研(yan)究(jiu)發(fa)現納米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)(de)(de)壽命非常長。也就是說，理論上液體中納米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)幾乎不存在，但研(yan)究(jiu)證據表(biao)明液體中納米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)能(neng)大(da)量長時(shi)(shi)間(jian)存在。

需要強調的(de)(de)是，納(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)長壽命一(yi)個重要特(te)點是有一(yi)個尺度范(fan)(fan)圍，大約在150納(na)米(mi)附近，從50納(na)米(mi)到(dao)500納(na)米(mi)（圖3），條件如(ru)溫(wen)度、液體(ti)和氣(qi)(qi)體(ti)成(cheng)分不同這(zhe)個范(fan)(fan)圍有一(yi)定變化(hua)。超過(guo)(guo)這(zhe)個范(fan)(fan)圍，如(ru)極小納(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)，仍然符合(he)快速崩(beng)潰的(de)(de)特(te)點，超過(guo)(guo)這(zhe)個范(fan)(fan)圍，正好處于經典氣(qi)(qi)泡(pao)具有收縮趨勢的(de)(de)范(fan)(fan)圍。

圖(tu)3.不(bu)同尺度氣(qi)泡的特點

納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)超長壽命的原因有三個假(jia)說。一種觀點認(ren)為(wei)，納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)沒有達到穩定平衡(heng)(heng)狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)，而是(shi)處于(yu)亞穩定狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)，這種狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)平衡(heng)(heng)速度非常緩慢。第二(er)種觀點認(ren)為(wei)，納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)是(shi)一種動(dong)態(tai)(tai)(tai)平衡(heng)(heng)狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)，但(dan)是(shi)需要在過(guo)飽和溶液中。這種條(tiao)件(jian)下(xia)，新(xin)的納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)不(bu)(bu)斷形成和舊的氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)不(bu)(bu)斷消失，兩者(zhe)達到平衡(heng)(heng)狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)。第三種觀點認(ren)為(wei)，Young–Laplace公式(shi)對納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)不(bu)(bu)適用，因為(wei)納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)表面(mian)張力受(shou)到界面(mian)曲度和內部氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)壓力影(ying)響非常大。如納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)內壓力只有1.4個大氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓，遠小于(yu)根據(ju)Young–Laplace公式(shi)的理論(lun)計(ji)算值。

納米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)浮(fu)力非常(chang)小(xiao)(xiao)，而周圍(wei)溶液(ye)(ye)分子(zi)運(yun)動影(ying)響(xiang)相(xiang)對(dui)很大，導(dao)致(zhi)納米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)長時間(jian)懸浮(fu)在液(ye)(ye)體(ti)中(zhong)。理(li)(li)論上5微(wei)米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)就(jiu)不會上升，因為這種(zhong)氣(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)浮(fu)力小(xiao)(xiao)于(yu)(yu)液(ye)(ye)體(ti)流動產生的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)，受到氣(qi)(qi)泡(pao)之間(jian)和氣(qi)(qi)泡(pao)和液(ye)(ye)體(ti)分子(zi)之間(jian)影(ying)響(xiang)也相(xiang)對(dui)比(bi)較(jiao)大。關于(yu)(yu)納米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)內(nei)(nei)壓，一些(xie)科學(xue)界不同意根據Young–Laplace公(gong)式(shi)的(de)(de)(de)(de)理(li)(li)論計算(suan)值。Tolman計算(suan)了液(ye)(ye)滴(di)的(de)(de)(de)(de)表面(mian)張(zhang)力，提出隨著體(ti)積縮小(xiao)(xiao)表面(mian)張(zhang)力相(xiang)對(dui)降低(di)。納米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)內(nei)(nei)壓力也可(ke)能低(di)于(yu)(yu)Young–Laplace公(gong)式(shi)的(de)(de)(de)(de)理(li)(li)論計算(suan)值。Nagayama等(deng)進行的(de)(de)(de)(de)分子(zi)動力學(xue)模擬也發現，納米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)內(nei)(nei)壓力遠低(di)于(yu)(yu)Young–Laplace公(gong)式(shi)的(de)(de)(de)(de)理(li)(li)論計算(suan)值。Seung Hoon Oh等(deng)進行的(de)(de)(de)(de)氫氣(qi)(qi)汽油內(nei)(nei)納米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)分析發現，氫氣(qi)(qi)納米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)壽(shou)命可(ke)以穩定121天。

納(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)穩(wen)定的關鍵因(yin)素是(shi)zeta電(dian)(dian)位(wei)。納(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)具(ju)有zeta電(dian)(dian)位(wei)，其(qi)特征就(jiu)是(shi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)界(jie)面外側呈負電(dian)(dian)，內側呈正電(dian)(dian)。彎曲液體(ti)(ti)表(biao)面能產生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)荷(he)(he)是(shi)因(yin)為(wei)(wei)水(shui)分子結構或(huo)離(li)散性(xing)。電(dian)(dian)荷(he)(he)排斥和(he)表(biao)面張力(li)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)方向相反，具(ju)有降低(di)內壓和(he)表(biao)面張力(li)的作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。任何能增加負電(dian)(dian)荷(he)(he)的物質都有利于(yu)氣(qi)(qi)液界(jie)面，如(ru)氫氧根離(li)子或(huo)用(yong)(yong)防靜電(dian)(dian)槍增加陰離(li)子能縮(suo)小納(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)直徑(jing)。普(pu)通納(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)直徑(jing)約(yue)150納(na)(na)米(mi)(mi)，二(er)氧化碳納(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)混合(he)1小時后(hou)直徑(jing)只有73納(na)(na)米(mi)(mi)，是(shi)因(yin)為(wei)(wei)二(er)氧化碳氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)界(jie)面有高(gao)濃(nong)度(du)(du)碳酸根離(li)子。與表(biao)面電(dian)(dian)荷(he)(he)類似，納(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)之間(jian)缺乏分子間(jian)范(fan)德瓦作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)力(li)（氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)內電(dian)(dian)子密(mi)度(du)(du)接近(jin)為(wei)(wei)零），也(ye)能避免(mian)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)融合(he)。分析發(fa)現，納(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)表(biao)面電(dian)(dian)荷(he)(he)能對抗表(biao)面張力(li)，避免(mian)納(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)內形(xing)成過高(gao)壓，能減少氣(qi)(qi)體(ti)(ti)因(yin)高(gao)壓向液體(ti)(ti)中(zhong)溶(rong)解(jie)，避免(mian)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)發(fa)生(sheng)(sheng)崩解(jie)。氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)達到平衡是(shi)穩(wen)定的基(ji)礎，那(nei)么表(biao)面電(dian)(dian)荷(he)(he)密(mi)度(du)(du)對穩(wen)定性(xing)是(shi)需要的。當納(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)發(fa)生(sheng)(sheng)收縮(suo)時，電(dian)(dian)荷(he)(he)密(mi)度(du)(du)隨(sui)之增加，在(zai)(zai)這個過程中(zhong)，電(dian)(dian)荷(he)(he)密(mi)度(du)(du)，電(dian)(dian)荷(he)(he)是(shi)使氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)擴張的作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。即使在(zai)(zai)平衡狀態，氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)內氣(qi)(qi)體(ti)(ti)仍然(ran)可以(yi)向未飽和(he)的液體(ti)(ti)中(zhong)溶(rong)解(jie)，除非這種液體(ti)(ti)表(biao)面也(ye)充滿該(gai)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)。

鹽(yan)(yan)離子濃度是(shi)影響(xiang)納(na)(na)(na)米氣(qi)泡穩定性的負面(mian)因素。研究(jiu)發現(xian)，高鹽(yan)(yan)離子能促進納(na)(na)(na)米氣(qi)泡聚集和融合，聚集是(shi)粒(li)子電荷受離子強(qiang)度破壞導致的鹽(yan)(yan)析現(xian)象，融合是(shi)由于氣(qi)水界面(mian)發生了變(bian)化。納(na)(na)(na)米氣(qi)泡穩定性也(ye)會受到溶液性質如酸堿度的影響(xiang)，理論(lun)上堿性約大，氣(qi)泡體積越大。

除(chu)界(jie)面(mian)電(dian)荷是氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)穩定(ding)性增加(jia)的(de)(de)(de)重要(yao)(yao)因(yin)(yin)素(su)(su)外，氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)和溶液之間氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)雙向(xiang)擴散速率下降也(ye)是一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)關鍵因(yin)(yin)素(su)(su)。主要(yao)(yao)原(yuan)因(yin)(yin)是氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)周圍存在(zai)一(yi)(yi)層殼體(ti)(ti)(ti)樣結(jie)(jie)構(gou)(gou)，這(zhe)(zhe)(zhe)層結(jie)(jie)構(gou)(gou)內氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)溶解度遠高(gao)于(yu)(yu)周圍自由度高(gao)的(de)(de)(de)液體(ti)(ti)(ti)環(huan)境，這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)現象在(zai)界(jie)面(mian)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)已經被(bei)證(zheng)實，估計在(zai)體(ti)(ti)(ti)相納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)也(ye)存在(zai)類似(si)結(jie)(jie)構(gou)(gou)（圖4）。Ohgaki等發現，納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)氫鍵更強(qiang)，限制(zhi)了(le)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)從氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)表(biao)面(mian)向(xiang)溶液中(zhong)釋(shi)放。這(zhe)(zhe)(zhe)層結(jie)(jie)構(gou)(gou)感覺(jue)很類似(si)生(sheng)物大(da)分子(zi)表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)結(jie)(jie)合水(shui)，這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)水(shui)因(yin)(yin)為和生(sheng)物分子(zi)形成(cheng)穩定(ding)的(de)(de)(de)氫鍵，類似(si)于(yu)(yu)晶體(ti)(ti)(ti)狀態，活動度非常小(xiao)，可能是導致(zhi)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)溶解度增加(jia)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)個原(yuan)因(yin)(yin)。這(zhe)(zhe)(zhe)也(ye)類似(si)于(yu)(yu)當前比較(jiao)熱門的(de)(de)(de)界(jie)面(mian)水(shui)效應的(de)(de)(de)概念，納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)大(da)概可能算一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)最安全的(de)(de)(de)界(jie)面(mian)水(shui)溶液制(zhi)備方法(fa)。上海生(sheng)物物理(li)所張立娟教授曾(ceng)經用(yong)同步輻射軟(ruan)X線對納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)表(biao)面(mian)這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)水(shui)結(jie)(jie)構(gou)(gou)進行了(le)研究，證(zheng)明是一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)非常特殊的(de)(de)(de)水(shui)結(jie)(jie)構(gou)(gou)。

圖(tu)4.納米氣泡外殼

與普(pu)通納(na)米(mi)顆(ke)粒、膠體和(he)(he)油水乳(ru)液(ye)類似(si)，納(na)米(mi)氣泡也(ye)具有自組織趨勢。可能是由于(yu)界(jie)面(mian)電荷、長范(fan)圍吸引、擴(kuo)散緩慢和(he)(he)界(jie)面(mian)高滲透壓梯度等(deng)因素的聯合作用。體相納(na)米(mi)氣泡剛性大(da)，不容(rong)易被壓縮(suo)，但(dan)是拉伸(shen)容(rong)易擴(kuo)張。

體(ti)相(xiang)納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)數量多的情況(kuang)如(ru)電解水納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)，表面水比較(jiao)多，能(neng)(neng)(neng)形成更多氫鍵，水合作(zuo)用(yong)更明顯。納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)能(neng)(neng)(neng)提高(gao)水分子流(liu)動(dong)性，這種現象可(ke)以(yi)用(yong)T2加權NMR質子弛豫時間(jian)延長(chang)(chang)來分析。S.Liu,et al.Chem.Eng.Sci.93(2013)250-256.260納(na)(na)米(mi)激發(fa)波長(chang)(chang)，納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)可(ke)以(yi)在(zai)345納(na)(na)米(mi)和425納(na)(na)米(mi)釋放出兩個微弱寬弱熒光帶，可(ke)能(neng)(neng)(neng)是氣(qi)(qi)泡(pao)界(jie)面水合離子化(hua)合物誘導的電荷密度產(chan)生(sheng)。P.Vallée,et al.J.Chem.Phys.122(2005)114513.礦物水中納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)能(neng)(neng)(neng)被磁(ci)化(hua)，這種磁(ci)化(hua)能(neng)(neng)(neng)保持(chi)1天以(yi)上。K.Uehara et al.Magnetics,47(2011)2604-2607.

五、納米氣泡檢測方法

盡管納米(mi)氣(qi)泡(pao)非(fei)常(chang)穩定(ding)(ding)，但(dan)是(shi)氣(qi)泡(pao)大(da)小(xiao)分(fen)布、氣(qi)泡(pao)數(shu)量(liang)(liang)和平均大(da)小(xiao)都會(hui)隨(sui)著時間發生改變。界面(mian)納米(mi)氣(qi)泡(pao)檢(jian)測(ce)(ce)常(chang)用原子力顯微(wei)鏡。體相納米(mi)氣(qi)泡(pao)常(chang)用光散射、冷(leng)凍電子顯微(wei)鏡和共(gong)振質量(liang)(liang)測(ce)(ce)量(liang)(liang)，共(gong)振質量(liang)(liang)測(ce)(ce)量(liang)(liang)對區分(fen)固體顆粒是(shi)簡單方(fang)便的(de)(de)技(ji)術。納米(mi)氣(qi)泡(pao)溶液特點(dian)會(hui)隨(sui)著納米(mi)氣(qi)泡(pao)等效(xiao)直徑、數(shu)量(liang)(liang)和大(da)小(xiao)分(fen)布的(de)(de)影響。不同方(fang)法可(ke)能會(hui)有不同的(de)(de)測(ce)(ce)定(ding)(ding)結(jie)果(guo)。

納(na)(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)受(shou)(shou)到布朗運動影(ying)響大(da)(da)，表面有硬(ying)殼，其行(xing)為接(jie)近固體納(na)(na)米顆粒(li)。因此納(na)(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)可以用(yong)動態光(guang)散(san)射(she)方(fang)法(fa)進行(xing)測量(liang)，動態光(guang)散(san)射(she)是(shi)利(li)用(yong)經過(guo)通過(guo)樣(yang)品的反射(she)波形改變進行(xing)分(fen)析。波形受(shou)(shou)顆粒(li)布朗運動影(ying)響，大(da)(da)氣(qi)(qi)泡(pao)產生的散(san)射(she)作用(yong)強，但(dan)波動比較慢。用(yong)Stokes-Einstein公式計(ji)算擴散(san)常數確定顆粒(li)半(ban)徑。D=kT/(3ηπd)（D=擴散(san)系數，k=波爾茲曼常數，T=絕對溫度(du)，η=粘(zhan)度(du)，d=顆粒(li)直徑）。這種(zhong)方(fang)法(fa)最多(duo)能(neng)測量(liang)每毫升10億納(na)(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)。分(fen)析總體信(xin)號(hao)可以獲(huo)得氣(qi)(qi)泡(pao)數量(liang)和大(da)(da)小(xiao)分(fen)布，但(dan)不能(neng)獲(huo)得每個氣(qi)(qi)泡(pao)的運動情況。納(na)(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)運動需要用(yong)納(na)(na)米顆粒(li)跟蹤分(fen)析方(fang)法(fa)。

納(na)(na)米(mi)顆粒跟蹤分析如(ru)NanoSight是相(xiang)對分析方(fang)法，這種方(fang)法利用光(guang)散(san)(san)射跟蹤小體積（80 pL）中的每(mei)個氣(qi)(qi)泡，能確定(ding)特定(ding)時(shi)間納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡在X或Y軸上的運(yun)動(dong)。顆粒運(yun)動(dong)速度(du)(du)決(jue)定(ding)于顆粒大(da)小，體積越大(da)速度(du)(du)越小。相(xiang)對于動(dong)態(tai)光(guang)散(san)(san)射每(mei)毫升(sheng)至少(shao)107個納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡，納(na)(na)米(mi)顆粒跟蹤分析能分析更(geng)低(di)濃度(du)(du)納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡。

共振質量測量是對流(liu)過(guo)一個(ge)共振跳板納米(mi)(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)進(jin)行的測量，這是一種(zhong)比較新的技術，能清楚區(qu)分固(gu)體(ti)(ti)和氣(qi)體(ti)(ti)納米(mi)(mi)(mi)顆(ke)粒(li)。1微升納米(mi)(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)溶液通過(guo)共振器(qi)每分鐘約12納升，理想狀況是每秒(miao)通過(guo)一個(ge)納米(mi)(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)，改(gai)變(bian)有效質量并(bing)被轉換為(wei)共振頻率。

庫爾特氏計(ji)(ji)(ji)數(shu)(shu)器是病毒(du)和(he)(he)細菌等微生物的(de)計(ji)(ji)(ji)數(shu)(shu)裝置，主要由(you)兩個(ge)小室(shi)組成，中(zhong)間以不(bu)導(dao)電的(de)薄隔板隔開，隔板帶(dai)有(you)大小與(yu)待計(ji)(ji)(ji)數(shu)(shu)的(de)顆(ke)粒(li)(li)類(lei)似的(de)單(dan)一小孔(kong)，每個(ge)小室(shi)都有(you)電極。當納(na)米氣泡(pao)等顆(ke)粒(li)(li)進(jin)入微管時，因為(wei)管內液體被(bei)氣泡(pao)代替，電阻發生改變，其變化(hua)和(he)(he)顆(ke)粒(li)(li)體積有(you)關系，利用這個(ge)特征可(ke)對通過微管的(de)納(na)米氣泡(pao)進(jin)行計(ji)(ji)(ji)數(shu)(shu)和(he)(he)體積計(ji)(ji)(ji)算。

直(zhi)徑(jing)超過500納(na)米(mi)的大納(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)能用(yong)高分(fen)(fen)辨(bian)光學顯微鏡進(jin)行圖像分(fen)(fen)析，觀察時(shi)需要用(yong)亞甲藍進(jin)行染色。也有利(li)用(yong)氣(qi)(qi)泡(pao)內(nei)氣(qi)(qi)體成(cheng)分(fen)(fen)的性質進(jin)行檢測的方法，例如用(yong)紅外探測二(er)氧化(hua)碳(tan)納(na)米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)。

Zeta電位也經常作為納米氣(qi)泡探(tan)測(ce)指(zhi)標，研究顯示當zeta電位比較大(da)時也是納米氣(qi)泡穩定性(xing)的(de)原因，但是這種電位不能(neng)提(ti)供氣(qi)泡數量和體積的(de)信(xin)息。

有(you)人說，納米氣泡(pao)表面有(you)負電位，其實就是這(zhe)種(zhong)Zeta電位。納米氣泡(pao)和膠體顆粒的(de)性質類(lei)似，在(zai)表面都會形成一層電位，這(zhe)種(zhong)電位在(zai)物(wu)理學上有(you)專門的(de)名稱，叫Zeta電位。Zeta電位高峰是氣泡(pao)直(zhi)經在(zai)10-30微米時(shi)。在(zai)氣泡(pao)直(zhi)經減小(xiao)小(xiao)時(shi)有(you)電位減少(shao)的(de)傾向。

由(you)于(yu)分(fen)散(san)(san)粒子表(biao)面帶有(you)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷而(er)吸(xi)引周圍的反(fan)號(hao)離子，這些(xie)反(fan)號(hao)離子在兩(liang)相界(jie)面呈擴散(san)(san)狀態分(fen)布而(er)形(xing)成擴散(san)(san)雙電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)層。測量Zeta電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位的方法(fa)(fa)主要有(you)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)泳法(fa)(fa)、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)滲法(fa)(fa)、流動電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位法(fa)(fa)和超聲法(fa)(fa)，其中電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)泳法(fa)(fa)應用最廣(guang)。測量納米(mi)氣泡Zeta電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位可使用Zeta電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位分(fen)析(xi)儀。