清華新聞網(wǎng)10月5日電 體相納米氣泡具有尺寸小、比表面積大、表面負(fù)載電荷等獨(dú)特物理性質(zhì)，其在工業(yè)清潔、物質(zhì)轉(zhuǎn)化、醫(yī)學(xué)成像、醫(yī)療健康、污水治理以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)備受學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和醫(yī)學(xué)界的關(guān)注。雖然納米氣泡在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用取得快速進(jìn)展，并且成效顯著，但國(guó)際上始終沒(méi)有一種理論能夠?qū)λ姆€(wěn)定性機(jī)制給出完美解釋。清華大學(xué)航天航空學(xué)院王兵團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了幾納米至百納米尺度體相納米氣泡的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，揭示了氣泡內(nèi)部及氣液界面特性，提出并檢驗(yàn)了一種納米氣泡穩(wěn)定性判據(jù)理論。
懸浮在液體中的納米氣泡始終處于布朗運(yùn)動(dòng)，其很多物性難以用實(shí)驗(yàn)手段直接探測(cè)，故對(duì)其穩(wěn)定機(jī)制的解釋尚缺乏共識(shí)。王兵研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的手段，統(tǒng)計(jì)揭示了不同尺寸體相納米氣泡的物性，包括氣泡內(nèi)密度、壓強(qiáng)、表面電荷、表面分子結(jié)構(gòu)，以及氣體擴(kuò)散特性等。在獲得這些物性的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)納米氣泡涉及力學(xué)與電學(xué)效應(yīng)的界面力平衡進(jìn)行了靜力學(xué)分析，對(duì)氣泡內(nèi)外氣體互換擴(kuò)散平衡進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)而結(jié)合理論假設(shè)分析了其維持上述平衡狀態(tài)的機(jī)制，從而提出了體相納米氣泡穩(wěn)定性判據(jù)。
研究表明，體相納米氣泡內(nèi)部氣體處于高密度（數(shù)十kg m-3）狀態(tài)；氣泡界面負(fù)載雙層電荷，其中內(nèi)層為正電荷，外層為負(fù)電荷，表面電荷的靜電斥力可以部分抵消氣液界面的表面張力；氣液界面處的氫鍵結(jié)構(gòu)則遭到一定程度破壞或削弱，降低了界面的表面張力；上述特性皆有利于納米氣泡保持穩(wěn)定。理論分析表明，穩(wěn)定納米氣泡所處的懸浮液中，氣泡約束的氣體分子數(shù)量應(yīng)大于溶解于液體中的自由氣體分子數(shù)量的50%。此外，溶解氣體的過(guò)飽和性應(yīng)是納米氣泡的穩(wěn)定維持的必要條件。本研究成果有助于推進(jìn)體相納米氣泡的深度精準(zhǔn)應(yīng)用。
體相納米氣泡示意圖及穩(wěn)定性判據(jù)
9月28日，航院王兵研究團(tuán)隊(duì)在《朗繆爾》（Langmuir）發(fā)表上述研究成果，文章題目為“從分子動(dòng)力學(xué)的角度理解體相納米氣泡的穩(wěn)定性”（Understanding the Stabilization of a Bulk Nanobubble: A Molecular Dynamics Analysis），并作為當(dāng)期雜志封面。該文通訊作者為航天航空學(xué)院長(zhǎng)聘教授王兵，第一作者為其指導(dǎo)的博士生高瞻，作者還包括研究團(tuán)隊(duì)的孫衛(wèi)濤副研究員和北京理工大學(xué)吳汪霞博士后。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.1c01796
供稿：航天航空學(xué)院
編輯：李華山
審核：曲田
