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?xì)怏w，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(qiáng)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(xué)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(xué)效應(yīng)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(yīng)用前景，如水處理、農(nóng)業(yè)、清洗、生物醫(yī)學(xué)、養(yǎng)生健康等。雖然有些應(yīng)用機(jī)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(yù)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(rèn)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(tuán)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(jì)80 年代的一個神奇現(xiàn)象：當(dāng)時科學(xué)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(dǎo)科學(xué)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(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)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(dǎo)致的。但是，在1997 年，永格倫和埃里克森兩位科學(xué)家根據(jù)亨利定律和擴(kuò)散理論預(yù)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(xué)院上海應(yīng)用物理研究所胡鈞研究團(tuán)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(xué)與工程新聞》等都對此進(jìn)行了評論，認(rèn)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(xué)之謎進(jìn)行了探索和解釋”。

這個科學(xué)之謎就是困擾科學(xué)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(jī)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(xué)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(dá)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(xué)院上海高等研究院的胡鈞、張立娟研究團(tuán)隊通過先進(jìn)的同步輻射軟X 射線譜學(xué)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(fù)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(xué)反應(yīng)等應(yīng)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(qiáng)的吸附能力。

納米氣泡的廣泛應(yīng)用

由于上述這些奇特的性質(zhì)，納米氣泡被廣泛應(yīng)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(jìn)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(jìn)行原位底泥修復(fù)。

土壤、空氣、水分和養(yǎng)分之間的平衡與供應(yīng)，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(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)而用于腫瘤細(xì)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(jìn)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(fù)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(yīng)用效果明顯，但是相關(guān)的機(jī)制并不清晰。

一是納米氣泡穩(wěn)定性理論機(jī)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(jī)制包括表面電荷理論、污染物吸附和界面釘扎效應(yīng)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(jī)制同時發(fā)揮作用，導(dǎo)致納米氣泡的超長壽命。

二是納米氣泡在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的作用機(jī)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(xì)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(jìn)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(jìn)魚苗成活、提高魚的產(chǎn)量和品質(zhì)等。上述機(jī)制都有待系統(tǒng)研究。