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溶液纳米气泡长期存在的理论基础

已有 13232 次阅读 2013-1-20 15:34 |个人分类:潜水医学|系统分类:论文交流| 价值, style, 纳米

Structure of the nanobubble clusters of dissolved air in liquid media.pdf

生活常识告诉我们,溶液中大气泡因为浮力因素会迅速上升到表面并消失,溶液很小的气泡可以存在比较长的时间。理论上看非常小的气泡会因为巨大表面张力的作用而塌陷并消失,但越来越多的研究证明,在许多溶液中,微纳米级别的气泡可以存在很长的寿命,这和理论推测存在巨大的差距。气泡都存在表面张力,而且这个张力的方向和表面垂直, 因此很大气泡张力分散几乎相互平衡,无法产生叠加效应, 总体相对比较小, 但小的气泡因为可以形成叠加效应.总力可以非常巨大.因此气泡的体积越小, 里面的压力越大.而由于气体的溶液和压力成正比, 因此在溶液中,气泡越小,气体在内部巨大的压力驱动下,非常容易扩散到溶液中,这样气泡变得更小, 压力更大,最后完全溶解而消失. 这就是经典理论下小气泡的命运:体积越小,寿命越短。但是实际情况是,微米纳米尺度的小气泡,不仅可以存在,而且寿命非常长。这已经成为这个领域的一个悖论,也成为许多人研究的课题。

潜水医学领域研究身体内气泡形成的一个VPM理论是这个领域重要的研究内容.这里有几个图很能说明这个问题.第一个图解释表面张力如何形成气泡内压力增加,第二个图比较气泡大小和气泡内张力大小的关系.比较形象,研究人员用啤酒内气泡形成来说明这个问题.

微纳米级别气泡具有许多物理和化学特性,有非常大的应用价值,过去由于理论上分析认为这种微纳米级别气泡不能长时间存在,所以认为没有实用价值,只有一些学者研究这种微纳米级别气泡在各类表面上应用,由于微纳米级别气泡的长寿命被证实,随后引起众多学者和工业领域的关注,但关于这种气泡的长寿命的理论解释仍不够完善。

从宏观理论上分析,纳米气泡在液体中几乎没有生存的可能,因为按照气体溶解的亨理定律,气体溶解和气体的压强成正比,按照表面张力定律,气泡越小表面张力越大,那么一个气泡内的压力等于周围环境的压力和表面张力之和。由于气泡越小表面张力越大,那么气泡内的压力将远远超过周围环境压力,溶液中气体的浓度主要决定于周围环境,那么微小气泡内的气体分压将远远大于周围液体中的气体分压,那么气泡内的气体就会按照压力梯度快速扩散到溶液中,这就必然导致气泡体积缩小,压力变的更大,这种过程具有正反馈性质,最终导致气泡完全消失。根据理论计算,10微米直径的小气泡,气泡在溶液中的寿命不超过10秒,随着气泡体积的缩小,气泡在溶液中的寿命迅速缩小,例如100 纳米直径的气泡在溶液中的寿命不超过10微秒。

由于这样短暂的寿命在宏观理论上可以认为不可能存在。因此在微纳米级别就一定存在可以对抗张力的因素,或者必须对宏观理论进行修改。目前关于这个方面的解释一般有这样几种。一是认为微纳米级别气泡存在固体颗粒,而固体颗粒(可能是疏水性质)会破坏气泡圆形结构,使气泡变成不规则形状,不规则形状会显著减少气泡的表面张力,而且气泡的体积越小,这种破坏效应越大,从而导致在一定范围内气泡内的压力和周围环境保持一致。但这种解释也受到质疑,因为即使采用非常纯净的液体,或者增加水溶性物质,这种微纳米级别气泡仍能存在甚至可以因为水溶性物质而增强。最近也有人利用电荷对抗张力的理论来解释(详细内容加附件全文)。

但是,我认为,传统的理论解释是把溶液颗粒或水作为理论光滑曲面来解释,其实在非常小的尺度条件下,水分子的结构不能不考虑,在非常小的尺度下,气泡并不是真的圆形,而是多角形,在大尺度条件下,这些非常小的角度完全可以忽略不计算,但在微小尺度下必须考虑这种角度的影响。这种角度会随着气泡尺度的缩小显著影响总体表面张力的产生,甚至最终造成表面张力完全消失。在这样的条件下,微纳米级别气泡完全可以稳定存在于溶液中。按照这样的推测,微纳米级别气泡可能是许多溶液中普遍存在的。记得5年前曾经有美国学者研究制造出可以在水中稳定1年的小气泡,他们采用的就是表面不光滑的气泡表面.类似足球一样的由许多小平面组成的小气泡.其实用水分子为表面形成的足够小的天然小气泡,在纳米尺度肯定不是平滑的表面,因水分子不可能形成平滑的表面.应该是非常"粗糙"的.请物理学方面的老师给指点.



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