納米氣泡，不容小覷的泡泡

□文/張立娟

說起氣泡，大家可能會想到小朋友玩的肥皂泡。在陽光下，伴隨著孩童的笑聲，肥皂泡四處飄搖，絢麗多彩。氣泡如此常見，我們在日常生活和大自然中經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)它們的身影。

碳酸飲料里面的二氧化碳氣體，會在打開瓶蓋的瞬間以氣泡的形式噴涌而出。正在沸騰的開水，一串串大大小小的氣泡從壺底沖到水表面，發(fā)出“滋滋”的聲音。冬天的江河湖泊內(nèi)，我們還經(jīng)常能看到水結(jié)冰后被封在冰中的氣泡。

這些我們?nèi)庋劭梢姷拇髿馀荩芯空咭呀?jīng)對它們的性質(zhì)了解得比較透徹。根據(jù)經(jīng)典的拉普拉斯方程，氣泡越小，它們內(nèi)部的壓強就越大。如果尺寸足夠小，它們的壽命將非常短，短到人們用常規(guī)方法無法檢測的程度。那么，納米級的氣泡是否真的不能穩(wěn)定存在呢？

令人驚奇的是，20 多年來，科學家不僅檢測到了穩(wěn)定的納米氣泡，并且發(fā)現(xiàn)了它們的許多特殊性質(zhì)，如超長壽命、表面帶電、比表面積大、特殊的生物學效應和傳質(zhì)效率高等。同時，它們在諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應用前景，如水處理、農(nóng)業(yè)、清洗、生物醫(yī)學、養(yǎng)生健康等。雖然有些應用機理并不清楚，但其出奇的效果不容忽視，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

納米氣泡領(lǐng)域的誕生

早在1950 年，愛潑斯坦-普萊塞特理論就預測了微米氣泡的壽命在毫秒量級，納米氣泡的壽命則更短。所以很長時間以來，大家都認為納米級的氣泡根本無法穩(wěn)定存在。

納米氣泡的提出、發(fā)現(xiàn)的歷史過程（左）和2000年胡鈞研究團隊發(fā)表的國際上第一張納米氣泡原子力顯微鏡圖像（右）

“納米氣泡”這一概念的提出，源于20 世紀80 年代的一個神奇現(xiàn)象：當時科學家在測量兩個疏水界面之間的作用力時，發(fā)現(xiàn)存在一種神秘的疏水長程引力。這一謎題引導科學家猜測界面納米氣泡的存在。

歷史追溯到1984 年前后，科研人員在測量浸在水中的兩個疏水表面作用力的實驗過程中，發(fā)現(xiàn)當兩個表面相互靠近時，突然有一種吸引力將兩個表面吸在一起，這種作用力遠遠大于經(jīng)典的雙電層作用力和經(jīng)典膠體穩(wěn)定性理論能作用的范圍。

1994 年，瑞典科學家約翰·帕克大膽猜測，實驗中出現(xiàn)的臺階作用力和疏水長程引力是表面納米氣泡導致的。但是，在1997 年，永格倫和埃里克森兩位科學家根據(jù)亨利定律和擴散理論預測10～100 納米的氣泡壽命只有1～100 微秒，從而否定了這一猜測。

1996 年，中國科學院上海應用物理研究所胡鈞研究團隊在研究視紫紅高分辨成像實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)在云母表面上產(chǎn)生了類似納米氣泡的圖像。隨后，在超純的體系里，他們通過醇水替換法在云母和石墨表面上分別觀察到了類似的圖像。

2001 年的《化學與工程新聞》等都對此進行了評論，認為“納米氣泡的原子力顯微鏡直接成像對長久以來的一個科學之謎進行了探索和解釋”。

這個科學之謎就是困擾科學家多年的“神秘疏水長程引力”。同時，這也證明了納米級氣泡在表面的穩(wěn)定存在。隨后，納米氣泡的產(chǎn)生、檢測和穩(wěn)定性機制解釋成為國內(nèi)外研究的熱點。

納米氣泡的獨特性質(zhì)

經(jīng)過20 多年的研究，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)納米氣泡具有獨特的性質(zhì)，例如超高穩(wěn)定性。根據(jù)所處的環(huán)境條件和溶液狀態(tài)，納米氣泡的壽命可以達到幾個小時到幾天不等，甚至數(shù)月。如此高的穩(wěn)定性，可能和它們內(nèi)部的特殊結(jié)構(gòu)相關(guān)。2020 年，中國科學院上海高等研究院的胡鈞、張立娟研究團隊通過先進的同步輻射軟X 射線譜學顯微技術(shù)，發(fā)現(xiàn)納米氣泡內(nèi)部可能是高密度的，根據(jù)氣泡大小不同，內(nèi)部密度比空氣密度高1～2 個數(shù)量級。

納米氣泡的另外一個特性是表面帶負電荷，并隨溶液pH 值而改變。此外，納米氣泡因其尺寸小（小于1 微米，大部分尺寸在100 納米左右），比表面積大，更有利于與物質(zhì)接觸，對于浮選、吸附、傳質(zhì)、化學反應等應用具有顯著的優(yōu)勢，特別是對表面疏水的顆粒和污染物具有較強的吸附能力。

納米氣泡的廣泛應用

由于上述這些奇特的性質(zhì)，納米氣泡被廣泛應用于多個領(lǐng)域。

納米氣泡能長時間穩(wěn)定存在于水中，可以高效進行水底增氧。研究者通過直接將氧氣納米氣泡輸入水中，改變了傳統(tǒng)清淤的高成本方式，在快速除臭的同時，進行原位底泥修復。

土壤、空氣、水分和養(yǎng)分之間的平衡與供應，對作物高產(chǎn)潛力的發(fā)揮至關(guān)重要。在我國，水稻種植主要采用淹水灌溉方式，空氣很難通過水層進入土壤中，而且水稻根系及土壤微生物的呼吸作用消耗了大量氧氣，導致土壤中的氧濃度極低。長期的低氧環(huán)境不但會引起稻田還原性有毒物質(zhì)的積累，從而影響作物的生長，而且還會影響氮素的轉(zhuǎn)化過程及不同形態(tài)的比例，降低水稻對氮素的吸收利用。納米氣泡和微米氣泡結(jié)合的增氧灌溉技術(shù)，可以顯著提高水稻的產(chǎn)量。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，富含氧氣的納米氣泡水養(yǎng)殖的魚苗成活率高，魚的產(chǎn)量高且營養(yǎng)物質(zhì)含量高。

在蔬菜種植方面，納米氣泡的作用效果也非常明顯，通過納米氣泡攜帶高濃度的氧氣或其他氣體，可以促進蔬菜種子的發(fā)芽和生長，并可用于花朵保鮮。

在超聲顯影方面，微米氣泡作為超聲顯影劑的研究相對比較早，而最近的研究發(fā)現(xiàn)，納米氣泡的顯影效率更高。

在藥物輸送和治療方面，納米氣泡可用于抗癌藥物傳遞，以提高化療效果，也進而用于腫瘤細胞或生物組織的有效消融。納米氣泡還能夠代替抗生素滲透到生物膜中，以緩解抗生素濫用產(chǎn)生的耐藥性。

納米氣泡能改善植物的“有氧環(huán)境”

在養(yǎng)生健康方面，納米氣泡可以攜帶高濃度氧氣或氫氣進入人體內(nèi)，具有消炎、抗氧化作用，從而輔助治療和提高康復的效果。

納米氣泡的未解之謎

科研人員表示：雖然納米氣泡在很多領(lǐng)域的應用效果明顯，但是相關(guān)的機制并不清晰。

一是納米氣泡穩(wěn)定性理論機制還不明確。目前提出了很多理論和模型解釋納米氣泡的超長壽命，這些機制包括表面電荷理論、污染物吸附和界面釘扎效應等，但都無法從根本上解釋納米氣泡的穩(wěn)定性。因為納米氣泡所處的液體環(huán)境各不相同，可能多種機制同時發(fā)揮作用，導致納米氣泡的超長壽命。

二是納米氣泡在相關(guān)應用領(lǐng)域的作用機理仍然不清楚。例如，在污水處理過程中，納米氣泡如何改善底泥、抑制厭氧細菌的生長等；在水稻種植過程中，納米氣泡怎樣刺激種子發(fā)芽和根系發(fā)育，怎樣促進氮元素的吸收以及提高植物抗逆性；在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，納米氣泡如何促進魚苗成活、提高魚的產(chǎn)量和品質(zhì)等。上述機制都有待系統(tǒng)研究。