本來(lai)被(bei)(bei)認(ren)為幾乎不可能存在的(de)小尺度氣(qi)泡(pao)，竟(jing)然能長期穩定(ding)存在，一(yi)旦被(bei)(bei)確定(ding)就被(bei)(bei)工業尤其是水處理領域重視(shi)(shi)，納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)已(yi)經完成開(kai)始(shi)廣泛受(shou)質(zhi)疑到廣泛受(shou)重視(shi)(shi)的(de)轉變。納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)技術也(ye)受(shou)到氫(qing)氣(qi)醫學(xue)(xue)領域的(de)重視(shi)(shi)，因為這種技術解決了氣(qi)體溶解速度小，溶解度小的(de)瓶頸，納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)已(yi)經成為氫(qing)氣(qi)醫學(xue)(xue)的(de)最(zui)佳搭檔。

相(xiang)變技術(shu)(shu)應用(yong)(yong)范圍廣(guang)泛，如環境(jing)、農(nong)業、醫療、化工和(he)(he)能(neng)源(yuan)等(deng)領域。氣(qi)／液相(xiang)變技術(shu)(shu)通常用(yong)(yong)于(yu)廢水(shui)(shui)(shui)和(he)(he)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)技術(shu)(shu)、水(shui)(shui)(shui)生態系統恢復、食品加(jia)工、水(shui)(shui)(shui)產農(nong)業、石(shi)化等(deng)行業。大(da)多數氣(qi)液相(xiang)變過程效率受到(dao)多種操作和(he)(he)介質性質的(de)(de)影響(xiang)。從傳(chuan)質理(li)論角度，首先考(kao)慮(lv)的(de)(de)優(you)化策略是(shi)增(zeng)加(jia)接(jie)觸表面面積。重要(yao)影響(xiang)因素(su)(su)包括混合(he)器(qi)的(de)(de)設計(ji)、柱(zhu)包裹材料、擋板結構、噴淋方法、注(zhu)射噴嘴、分布器(qi)設計(ji)等(deng)，次要(yao)影響(xiang)因素(su)(su)包括接(jie)觸相(xiang)之間的(de)(de)熱傳(chuan)質或(huo)反應表面。

一、什么是納米氣泡

氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)是指(zhi)液(ye)體(ti)內充滿氣(qi)(qi)(qi)體(ti)的空穴(xue)，產生氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的基本條件(jian)是液(ye)體(ti)內氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)內壓不(bu)(bu)小于環境壓力。氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)表面(mian)(mian)擁有不(bu)(bu)同于氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)所在(zai)液(ye)體(ti)性(xing)質(zhi)的成分。表面(mian)(mian)活性(xing)劑對(dui)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的形(xing)成十分重要但(dan)并不(bu)(bu)是必須條件(jian)。由(you)于浮力比(bi)較大，大氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)一般(ban)會迅速上升到表面(mian)(mian)崩(beng)解(jie)，直(zhi)徑小于1微(wei)米的氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)也就是微(wei)納米氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)因存在(zai)目前不(bu)(bu)了解(jie)的機制，能在(zai)液(ye)體(ti)中長時(shi)間穩(wen)定存在(zai)。

納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)技術領(ling)(ling)域，一(yi)般習慣把100納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)以下(xia)(xia)作(zuo)為納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)顆(ke)粒的(de)(de)最(zui)大尺度，但(dan)是(shi)納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)直徑一(yi)般是(shi)大于100納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)，氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)研究領(ling)(ling)域一(yi)般把1000納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)以下(xia)(xia)作(zuo)為納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)或微納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)，100微米(mi)(mi)以下(xia)(xia)為細小氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)。納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)有兩種(zhong)基本(ben)類型，一(yi)種(zhong)是(shi)非球(qiu)形界(jie)(jie)面納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)，是(shi)固定(ding)分(fen)布在液(ye)體和(he)固體界(jie)(jie)面上的(de)(de)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)，這種(zhong)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)在學(xue)術界(jie)(jie)被研究相(xiang)(xiang)對充分(fen)，但(dan)應用相(xiang)(xiang)對少。另一(yi)種(zhong)就是(shi)我們比(bi)較熟悉的(de)(de)體相(xiang)(xiang)納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)，就是(shi)懸浮在液(ye)體中的(de)(de)球(qiu)形納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)。本(ben)文主(zhu)要指體相(xiang)(xiang)納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)。

雖然氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)(de)研究歷史已經(jing)超過半個世紀，但是氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)(de)類型和分類一(yi)直(zhi)存在(zai)(zai)爭議。學術上(shang)對(dui)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)分類主(zhu)要根據氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)性質的(de)(de)不(bu)同(tong)，最常用的(de)(de)指標是氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)大(da)小(xiao)、表(biao)面特征和氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)壽命。這些特征主(zhu)要決定于氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)大(da)小(xiao)，因此許(xu)多學者把氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)大(da)小(xiao)作為唯一(yi)分類標準。按照這個標準，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)被分為大(da)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)、微米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)、亞微米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)或納米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，也有采用更通俗分類為大(da)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)、小(xiao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)和超小(xiao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)。雖然學者們對(dui)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)(de)大(da)小(xiao)范(fan)圍具體有不(bu)同(tong)看法，但大(da)多數同(tong)意微氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)直(zhi)徑應該在(zai)(zai)10－100微米(mi)的(de)(de)范(fan)圍，1-10微米(mi)為亞微米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，10-1000納米(mi)為納米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)。

經典(dian)理論認為(wei)(wei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)越小(xiao)表面張力越大(da)，納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)表面張力大(da)造成內壓(ya)非常(chang)高，因(yin)(yin)此納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)存(cun)在(zai)性和(he)穩定(ding)(ding)(ding)性一直是有(you)爭議的(de)(de)話題。許多學者(zhe)使用不(bu)同技(ji)術探測納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)。與大(da)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)研究一樣(yang)，學者(zhe)們沒(mei)有(you)糾結于(yu)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)(de)定(ding)(ding)(ding)義(yi)(yi)。有(you)學者(zhe)甚至忽視納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)和(he)微(wei)(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)存(cun)在(zai)被忽視的(de)(de)直徑范(fan)圍，認為(wei)(wei)直徑小(xiao)于(yu)200納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)為(wei)(wei)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，10微(wei)(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)以上的(de)(de)為(wei)(wei)微(wei)(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，對200納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)到(dao)10微(wei)(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)之(zhi)間的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)不(bu)去(qu)理會，也有(you)學者(zhe)把(ba)200納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)－10微(wei)(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)定(ding)(ding)(ding)義(yi)(yi)為(wei)(wei)微(wei)(wei)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，這說明對超細小(xiao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)(de)分(fen)類(lei)(lei)缺乏清晰的(de)(de)標準。2012年，吳等定(ding)(ding)(ding)義(yi)(yi)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)和(he)亞微(wei)(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，認為(wei)(wei)500納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)以下為(wei)(wei)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)和(he)亞微(wei)(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)。最(zui)近有(you)學者(zhe)認為(wei)(wei)直徑小(xiao)于(yu)數百(bai)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)為(wei)(wei)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，這不(bu)僅(jin)含糊而且存(cun)在(zai)矛盾。總之(zhi)，納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)直徑的(de)(de)最(zui)大(da)尺度存(cun)在(zai)不(bu)同看法，直徑小(xiao)于(yu)1微(wei)(wei)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)因(yin)(yin)為(wei)(wei)尺度和(he)特征類(lei)(lei)似可分(fen)類(lei)(lei)為(wei)(wei)超細氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)或納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)。

氣泡(pao)分類(lei)不僅根據(ju)大小(xiao)，而且根據(ju)其特(te)征和在液(ye)體中的(de)行為。圖1對(dui)不同氣泡(pao)大小(xiao)的(de)分類(lei)進行了(le)匯總。1－10微(wei)米氣泡(pao)其大小(xiao)和特(te)征都介于微(wei)米氣泡(pao)和納米氣泡(pao)之間，被歸類(lei)到(dao)亞微(wei)米氣泡(pao)。雖然學術界對(dui)微(wei)米氣泡(pao)的(de)特(te)征有(you)一(yi)致看法，但是對(dui)氣泡(pao)的(de)大小(xiao)范(fan)圍沒(mei)有(you)統一(yi)標準。

圖1.氣(qi)泡(pao)大小和特征

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

符合納(na)米材料(liao)規律，納(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)也(ye)具有(you)比(bi)表面積大(da)的(de)(de)特點，這也(ye)是納(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)作為氣(qi)(qi)液技術應該的(de)(de)重要基礎。另(ling)外(wai)，納(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)還具有(you)剛性大(da)，表面有(you)負(fu)電(dian)荷，浮力(li)小，穩(wen)定性極好，長(chang)壽命等特點，決定了納(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)特殊用途(tu)。納(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)內壓和(he)穩(wen)定性方面，存(cun)在理(li)論計(ji)算(suan)和(he)事實(shi)不符的(de)(de)情(qing)況，目前并沒有(you)明(ming)確的(de)(de)結(jie)論。

氣泡(pao)(pao)表面(mian)(mian)積(ji)和(he)氣泡(pao)(pao)直(zhi)徑(jing)(jing)呈負相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)，（表面(mian)(mian)積(ji)A和(he)直(zhi)徑(jing)(jing)D的(de)數(shu)學關(guan)(guan)系(xi)A＝6/D）。因(yin)此(ci)同樣體(ti)積(ji)的(de)氣泡(pao)(pao)，100納米直(zhi)徑(jing)(jing)氣泡(pao)(pao)表面(mian)(mian)積(ji)是10微(wei)米直(zhi)徑(jing)(jing)面(mian)(mian)積(ji)的(de)100倍。

理論上(shang)(shang)(shang)氣(qi)(qi)泡(pao)形成消耗能(neng)量依賴(lai)于(yu)(yu)界面(mian)面(mian)積，界面(mian)面(mian)積決定于(yu)(yu)氣(qi)(qi)泡(pao)表面(mian)張(zhang)力。直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)小于(yu)(yu)25微(wei)米(mi)的(de)(de)小氣(qi)(qi)泡(pao)表面(mian)剛性強，類似于(yu)(yu)高壓(ya)氣(qi)(qi)球，不容易破(po)裂(lie)。數毫(hao)米(mi)直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)的(de)(de)大(da)(da)(da)氣(qi)(qi)泡(pao)表面(mian)比較(jiao)柔軟，很容易變形破(po)裂(lie)。大(da)(da)(da)氣(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)浮力比較(jiao)大(da)(da)(da)很容易上(shang)(shang)(shang)升到液面(mian)。Stokes公式(shi)R=ρgd2/18μ（ρ=密度，g=重力加速(su)(su)度，d=氣(qi)(qi)泡(pao)直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)，μ=粘滯(zhi)度）可(ke)計算氣(qi)(qi)泡(pao)上(shang)(shang)(shang)浮速(su)(su)度。氣(qi)(qi)泡(pao)上(shang)(shang)(shang)漂浮速(su)(su)度和(he)氣(qi)(qi)泡(pao)直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)的(de)(de)平方成正比，這種關(guan)系只使用于(yu)(yu)小氣(qi)(qi)泡(pao)。直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)大(da)(da)(da)于(yu)(yu)2毫(hao)米(mi)的(de)(de)大(da)(da)(da)氣(qi)(qi)泡(pao)由于(yu)(yu)外形發生變化(hua)，上(shang)(shang)(shang)升速(su)(su)度并(bing)不會受直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)影響。低(di)于(yu)(yu)1微(wei)米(mi)的(de)(de)納米(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)上(shang)(shang)(shang)升速(su)(su)度非(fei)常慢，遠低(di)于(yu)(yu)布朗運動，整體(ti)上(shang)(shang)(shang)表現為不上(shang)(shang)(shang)升。

除了浮力外，直徑小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)于(yu)(yu)25-50微(wei)米的(de)小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)有(you)自動收縮(suo)(suo)特性。根據Henry定(ding)律，溶(rong)液(ye)中(zhong)溶(rong)解(jie)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)的(de)分(fen)壓(ya)(ya)與氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)分(fen)壓(ya)(ya)一(yi)致(zhi)時，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)溶(rong)解(jie)和溶(rong)液(ye)中(zhong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)向(xiang)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)釋放達到平衡。小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)由于(yu)(yu)表面(mian)張(zhang)力作(zuo)用內(nei)(nei)壓(ya)(ya)增加，造成氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)分(fen)壓(ya)(ya)超(chao)過氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)周圍溶(rong)解(jie)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)分(fen)壓(ya)(ya)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)超(chao)周圍靜(jing)溶(rong)解(jie)，這(zhe)會導(dao)致(zhi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)進(jin)(jin)一(yi)步(bu)縮(suo)(suo)小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)，體(ti)積縮(suo)(suo)小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)導(dao)致(zhi)表面(mian)張(zhang)力效(xiao)應(ying)增強，導(dao)致(zhi)正反(fan)饋效(xiao)應(ying)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)會迅速崩潰(kui)。相(xiang)反(fan)大(da)(da)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)因為上(shang)升周圍靜(jing)水壓(ya)(ya)下降(jiang)導(dao)致(zhi)內(nei)(nei)壓(ya)(ya)降(jiang)低(di)，減壓(ya)(ya)導(dao)致(zhi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)體(ti)積增大(da)(da)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)分(fen)壓(ya)(ya)降(jiang)低(di)，導(dao)致(zhi)溶(rong)液(ye)中(zhong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)向(xiang)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)靜(jing)釋放，這(zhe)會導(dao)致(zhi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)體(ti)積增大(da)(da)，表面(mian)張(zhang)力效(xiao)應(ying)降(jiang)低(di)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)(nei)壓(ya)(ya)進(jin)(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)。所以(yi)，在某氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)飽(bao)和溶(rong)液(ye)中(zhong)，這(zhe)種氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)有(you)大(da)(da)者增大(da)(da)，小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)者縮(suo)(suo)小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)的(de)趨勢。看來(lai)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)也(ye)恰好符合馬太效(xiao)應(ying)。

這種(zhong)情況非常符合潛水(shui)員(yuan)減(jian)壓(ya)(ya)病(bing)發生的過(guo)(guo)程，潛水(shui)員(yuan)在水(shui)下停(ting)留一(yi)定(ding)時間(jian)后(hou)，體(ti)液中氣(qi)(qi)體(ti)達到一(yi)定(ding)飽和度，一(yi)旦返回(hui)水(shui)面速度過(guo)(guo)快，身體(ti)內一(yi)些氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)會因(yin)為環境壓(ya)(ya)下降而(er)增(zeng)大，這種(zhong)趨勢過(guo)(guo)于嚴(yan)重(zhong)就導致(zhi)氣(qi)(qi)體(ti)阻斷血流(liu)壓(ya)(ya)迫(po)組(zu)織等后(hou)果，就是(shi)典型的減(jian)壓(ya)(ya)病(bing)。治療減(jian)壓(ya)(ya)病(bing)的原(yuan)理也很容易，就是(shi)把潛水(shui)員(yuan)進行重(zhong)新(xin)加(jia)壓(ya)(ya)，加(jia)壓(ya)(ya)的結果就是(shi)把大氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)變成小氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)，小氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)有變小消失的趨勢，解(jie)決了氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)就解(jie)除了病(bing)因(yin)。

圖2.經典氣泡的馬太(tai)效(xiao)應

納(na)米氣泡(pao)(pao)也存(cun)在比較強(qiang)的(de)靜(jing)電場，能(neng)避免(mian)氣泡(pao)(pao)發(fa)生融合，對抗浮力作用。在水平(ping)電場中，氣泡(pao)(pao)電荷決定于水平(ping)速(su)度(du)(du)v=ζε/μ（v=水平(ping)速(su)度(du)(du)，ζ=zeta電位(V),ε=水的(de)介電常數(s2×C2×kg-1×m-3)，μ=粘滯(zhi)度(du)(du)(Pa×s).）

zeta電(dian)位(wei)(wei)(wei)一般(ban)是負(fu)值，但大多(duo)數與氣泡(pao)直(zhi)徑無關(guan)。zeta電(dian)位(wei)(wei)(wei)受水的pH值影(ying)響非常大，也受到(dao)離子(zi)強(qiang)度影(ying)響（離子(zi)濃度越(yue)大，zeta電(dian)位(wei)(wei)(wei)越(yue)低）。所(suo)有氣泡(pao)都具有負(fu)電(dian)位(wei)(wei)(wei)，相互之(zhi)間的靜電(dian)排斥力能(neng)限(xian)制氣泡(pao)融(rong)合。因(yin)為氣泡(pao)越(yue)小(xiao)，需(xu)要(yao)的能(neng)量越(yue)大，因(yin)此小(xiao)氣泡(pao)分裂也不容(rong)易發生。所(suo)以，小(xiao)氣泡(pao)可以增大或縮小(xiao)，但不容(rong)易發生融(rong)合和破(po)裂。

不(bu)可(ke)溶性(xing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)可(ke)以形(xing)成超(chao)長(chang)壽命(ming)的(de)(de)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)。根(gen)據(ju)(ju)Laplace公式(shi)，Pi＝Po＋4γ/d，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)內(nei)壓(ya)(ya)等于環境壓(ya)(ya)與4γ/d的(de)(de)和（γ是(shi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(N m-1)，d是(shi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)直徑(jing)(m)），氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)直徑(jing)越(yue)小，內(nei)壓(ya)(ya)越(yue)大。10微米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)內(nei)壓(ya)(ya)約1.3個大氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)，100微米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)約1.03個大氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)。根(gen)據(ju)(ju)計算，納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)內(nei)壓(ya)(ya)會(hui)達到非常高(gao)水平，足以讓內(nei)部氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)迅速(su)溶解消失。這和納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)具有長(chang)壽命(ming)的(de)(de)事實(shi)不(bu)符(fu)，說(shuo)明這種(zhong)理論(lun)本身存(cun)在缺陷(xian)。現(xian)在還(huan)不(bu)能確定Laplace公式(shi)是(shi)否適合于納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)，但(dan)是(shi)在沒(mei)有電(dian)荷等其它影(ying)響因(yin)素存(cun)在的(de)(de)情況下，150納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)液(ye)(ye)滴（類似氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)）表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)確實(shi)能提高(gao)20倍。修改(gai)理論(lun)或尋(xun)找(zhao)原(yuan)因(yin)都有可(ke)能。有人(ren)提出可(ke)能是(shi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)材(cai)料對表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)產生的(de)(de)影(ying)響，也有人(ren)認(ren)為是(shi)過飽和溶液(ye)(ye)能降低(di)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)，也是(shi)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)長(chang)壽命(ming)的(de)(de)原(yuan)因(yin)。如氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)液(ye)(ye)界(jie)面(mian)(mian)包含表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)活性(xing)劑(ji)(ji)（故(gu)意或偶然）如蛋(dan)白質或去垢(gou)劑(ji)(ji)，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)活性(xing)劑(ji)(ji)能降低(di)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)，降低(di)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)內(nei)壓(ya)(ya)，增加(jia)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)穩(wen)定性(xing)。超(chao)聲(sheng)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)造影(ying)劑(ji)(ji)和藥物(wu)輸(shu)送氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)就是(shi)利用這樣的(de)(de)原(yuan)理。

納米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡是(shi)有(you)(you)(you)效(xiao)的氣(qi)(qi)液相處理(li)(li)過程，過去(qu)20年，這一(yi)技術(shu)受到大量研究(jiu)人員的關(guan)注(zhu)。多(duo)數研究(jiu)集中在微(wei)(wei)納米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡制備、測(ce)定和超細(xi)微(wei)(wei)氣(qi)(qi)泡特性分(fen)類(lei)等方(fang)面。最近有(you)(you)(you)研究(jiu)探索了微(wei)(wei)納米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡工業化(hua)應用的可能性。根據初步(bu)研究(jiu)結(jie)果(guo)，許(xu)多(duo)學者提(ti)出，水(shui)處理(li)(li)技術(shu)是(shi)微(wei)(wei)納米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡最有(you)(you)(you)前景的領域。即(ji)使最有(you)(you)(you)前景的水(shui)處理(li)(li)領域，納米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡的研究(jiu)仍(reng)然不(bu)充(chong)分(fen)，如現有(you)(you)(you)研究(jiu)對(dui)氣(qi)(qi)泡大小的定義和分(fen)類(lei)方(fang)面都沒有(you)(you)(you)統一(yi)認識(shi)。本(ben)文重(zhong)點(dian)對(dui)微(wei)(wei)納米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡的定義和分(fen)類(lei)、一(yi)般制備技術(shu)和表征測(ce)量方(fang)法等進行綜述(shu)。

三、納米氣泡制備方法

氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡產生(sheng)是(shi)(shi)靜態或準(zhun)靜態過(guo)程，然后進入融合和(he)(he)破裂的(de)動態過(guo)程，氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡的(de)形(xing)成、增大和(he)(he)崩潰空(kong)化過(guo)程。根據氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡內容的(de)不同(tong)，空(kong)化分為(wei)霧空(kong)化和(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)空(kong)化。氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡形(xing)成主要是(shi)(shi)在特定溫(wen)度情況下(xia)壓強下(xia)降到某一(yi)個閾(yu)值，這(zhe)類似于沸騰(teng)，區別(bie)是(shi)(shi)壓強降低(di)而不是(shi)(shi)溫(wen)度增加。氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡融合和(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡崩潰是(shi)(shi)小(xiao)(xiao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡的(de)兩種相(xiang)反(fan)狀態，小(xiao)(xiao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡結合起來可以變(bian)成大氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡，也能通(tong)過(guo)崩潰變(bian)成更小(xiao)(xiao)的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡。

學(xue)者根據(ju)不(bu)同(tong)需要使(shi)用(yong)(yong)不(bu)同(tong)技(ji)術(shu)(shu)(shu)制備小氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)制備方法(fa)主要包括水(shui)(shui)力(li)空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)和(he)顆粒(li)空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)、聲(sheng)(sheng)學(xue)或聲(sheng)(sheng)波(bo)降(jiang)解法(fa)、電化(hua)(hua)學(xue)氣(qi)(qi)(qi)(qi)蝕和(he)機(ji)(ji)械(xie)攪拌(ban)(ban)等。所有(you)(you)(you)(you)(you)這些(xie)技(ji)術(shu)(shu)(shu)背后的(de)(de)(de)(de)(de)物理(li)學(xue)基礎都是(shi)(shi)利益表(biao)面張力(li)和(he)能(neng)量(liang)消耗(hao)降(jiang)低(di)壓(ya)強(qiang)(qiang)。降(jiang)壓(ya)強(qiang)(qiang)空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)有(you)(you)(you)(you)(you)兩種技(ji)術(shu)(shu)(shu)，一(yi)(yi)是(shi)(shi)利用(yong)(yong)水(shui)(shui)流湍流造成(cheng)壓(ya)強(qiang)(qiang)改變的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)力(li)空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)，另一(yi)(yi)個是(shi)(shi)使(shi)用(yong)(yong)聲(sheng)(sheng)波(bo)的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。局部能(neng)量(liang)耗(hao)竭空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)可以(yi)用(yong)(yong)光源光子或其(qi)他基本粒(li)子誘導。在水(shui)(shui)處理(li)技(ji)術(shu)(shu)(shu)中，水(shui)(shui)力(li)空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)是(shi)(shi)最(zui)常(chang)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)制造技(ji)術(shu)(shu)(shu)，可以(yi)通(tong)過加(jia)壓(ya)飽(bao)和(he)、氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)剪切、分裂和(he)機(ji)(ji)械(xie)攪拌(ban)(ban)等。聲(sheng)(sheng)或聲(sheng)(sheng)波(bo)系(xi)統(tong)使(shi)用(yong)(yong)超(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)，超(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)探頭有(you)(you)(you)(you)(you)的(de)(de)(de)(de)(de)放在液(ye)體(ti)內，也有(you)(you)(you)(you)(you)放在液(ye)體(ti)外的(de)(de)(de)(de)(de)。聲(sheng)(sheng)波(bo)空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)是(shi)(shi)利用(yong)(yong)聲(sheng)(sheng)波(bo)在液(ye)體(ti)中產生的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)負壓(ya)超(chao)過周圍靜水(shui)(shui)壓(ya)產生空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。聲(sheng)(sheng)波(bo)空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)有(you)(you)(you)(you)(you)兩種情況(kuang)，第一(yi)(yi)種情況(kuang)是(shi)(shi)均勻(yun)成(cheng)核。是(shi)(shi)液(ye)體(ti)在破裂時聲(sheng)(sheng)波(bo)引起的(de)(de)(de)(de)(de)拉應力(li)超(chao)過分子間作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)力(li)。實現這一(yi)(yi)目標所需的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)遠遠大于理(li)論計算值。因(yin)為液(ye)體(ti)本身具(ju)有(you)(you)(you)(you)(you)非均勻(yun)性(xing)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)出現具(ju)有(you)(you)(you)(you)(you)不(bu)確定性(xing)。第二種類型的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)(kong)(kong)泡(pao)是(shi)(shi)異相成(cheng)核。空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)在液(ye)體(ti)最(zui)薄弱的(de)(de)(de)(de)(de)區域出現。例如液(ye)體(ti)中本來(lai)存在不(bu)容易擴(kuo)散的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)。電化(hua)(hua)學(xue)系(xi)統(tong)是(shi)(shi)用(yong)(yong)表(biao)面產生電流形成(cheng)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)方法(fa)。機(ji)(ji)械(xie)空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)是(shi)(shi)利用(yong)(yong)高(gao)速攪拌(ban)(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)方法(fa)將有(you)(you)(you)(you)(you)限體(ti)積的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)和(he)液(ye)體(ti)進(jin)行(xing)混合(he)，其(qi)原理(li)和(he)水(shui)(shui)力(li)空(kong)(kong)(kong)(kong)化(hua)(hua)類似(si)。

納米氣泡的基本(ben)制造方法(fa)(fa)有四類，一(yi)是加減壓法(fa)(fa)，二(er)是機(ji)械旋切法(fa)(fa)，三是超聲空化法(fa)(fa)，四是湍(tuan)流管法(fa)(fa)。一(yi)般是將多種方法(fa)(fa)聯合(he)起(qi)來使用(yong)，可以(yi)獲得比較好(hao)的效果(guo)。

四、納米氣泡超長壽命原因分析

納米(mi)氣泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)穩定(ding)性一直(zhi)存在爭議，按(an)照經典(dian)的(de)(de)(de)Young–Laplace公式，當氣泡(pao)(pao)體積越小，表(biao)面(mian)張力越大(da)，內(nei)部壓力越大(da)，內(nei)部壓力大(da)會驅動氣泡(pao)(pao)內(nei)氣體向(xiang)液體擴散溶解，表(biao)面(mian)張力和氣體丟失的(de)(de)(de)結果使氣泡(pao)(pao)快速趨向(xiang)縮小甚至(zhi)崩(beng)潰消失。例如(ru)，當氣泡(pao)(pao)直(zhi)徑為159納米(mi)時候，其表(biao)面(mian)張力為13.93mN/m，可(ke)產生大(da)約452kPa的(de)(de)(de)壓力，相(xiang)當于(yu)4.5個大(da)氣壓。這樣高的(de)(de)(de)內(nei)壓已經達到氣泡(pao)(pao)快速崩(beng)潰的(de)(de)(de)情況(kuang)。理論上納米(mi)氣泡(pao)(pao)不(bu)可(ke)能長(chang)(chang)時間存在，但許多研究(jiu)發現(xian)納米(mi)氣泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)壽命非常長(chang)(chang)。也就是說(shuo)，理論上液體中(zhong)納米(mi)氣泡(pao)(pao)幾乎不(bu)存在，但研究(jiu)證(zheng)據表(biao)明液體中(zhong)納米(mi)氣泡(pao)(pao)能大(da)量長(chang)(chang)時間存在。

需(xu)要強調(diao)的是，納米氣泡(pao)長(chang)壽(shou)命(ming)一個(ge)(ge)(ge)重(zhong)要特點(dian)(dian)是有一個(ge)(ge)(ge)尺(chi)度范圍(wei)，大約在150納米附近，從50納米到500納米（圖3），條件如溫(wen)度、液體(ti)和氣體(ti)成分不同這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)(ge)范圍(wei)有一定變化。超(chao)過這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)(ge)范圍(wei)，如極小納米氣泡(pao)，仍然符合快速崩(beng)潰的特點(dian)(dian)，超(chao)過這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)(ge)范圍(wei)，正好處于經(jing)典氣泡(pao)具有收縮(suo)趨勢(shi)的范圍(wei)。

圖3.不同(tong)尺(chi)度(du)氣泡的特點

納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡超長(chang)壽命的(de)(de)原因有(you)(you)三(san)個假(jia)說。一種(zhong)(zhong)(zhong)觀(guan)點認為，納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡沒有(you)(you)達到(dao)穩定(ding)(ding)平(ping)衡(heng)狀(zhuang)態(tai)，而是(shi)(shi)處于亞穩定(ding)(ding)狀(zhuang)態(tai)，這種(zhong)(zhong)(zhong)狀(zhuang)態(tai)平(ping)衡(heng)速度(du)非常緩慢。第二種(zhong)(zhong)(zhong)觀(guan)點認為，納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡是(shi)(shi)一種(zhong)(zhong)(zhong)動態(tai)平(ping)衡(heng)狀(zhuang)態(tai)，但是(shi)(shi)需要在過(guo)飽(bao)和溶液中。這種(zhong)(zhong)(zhong)條件(jian)下，新的(de)(de)納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡不(bu)斷形(xing)成(cheng)和舊(jiu)的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)泡不(bu)斷消失，兩者達到(dao)平(ping)衡(heng)狀(zhuang)態(tai)。第三(san)種(zhong)(zhong)(zhong)觀(guan)點認為，Young–Laplace公式(shi)對納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡不(bu)適用，因為納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡表面(mian)張力受(shou)到(dao)界面(mian)曲度(du)和內(nei)部(bu)氣(qi)(qi)(qi)體壓(ya)力影響非常大。如納(na)(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡內(nei)壓(ya)力只有(you)(you)1.4個大氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)，遠小(xiao)于根據Young–Laplace公式(shi)的(de)(de)理(li)論計(ji)算值。

納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)浮(fu)(fu)力(li)非常小，而周圍溶液(ye)分(fen)子(zi)(zi)運動(dong)影(ying)響(xiang)相對很大，導(dao)致納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)長時間懸浮(fu)(fu)在液(ye)體(ti)中。理(li)(li)論上5微米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)就不(bu)會上升，因為這種氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)浮(fu)(fu)力(li)小于液(ye)體(ti)流(liu)動(dong)產生(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)，受到氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)之(zhi)間和氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)和液(ye)體(ti)分(fen)子(zi)(zi)之(zhi)間影(ying)響(xiang)也(ye)相對比較大。關于納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)內(nei)壓，一些科學(xue)界不(bu)同意根(gen)據Young–Laplace公(gong)式的(de)理(li)(li)論計(ji)(ji)算值。Tolman計(ji)(ji)算了液(ye)滴的(de)表面張力(li)，提(ti)出隨著體(ti)積縮小表面張力(li)相對降低(di)(di)。納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)內(nei)壓力(li)也(ye)可(ke)(ke)能低(di)(di)于Young–Laplace公(gong)式的(de)理(li)(li)論計(ji)(ji)算值。Nagayama等(deng)進(jin)行的(de)分(fen)子(zi)(zi)動(dong)力(li)學(xue)模擬也(ye)發現，納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)內(nei)壓力(li)遠(yuan)低(di)(di)于Young–Laplace公(gong)式的(de)理(li)(li)論計(ji)(ji)算值。Seung Hoon Oh等(deng)進(jin)行的(de)氫氣(qi)(qi)(qi)汽油內(nei)納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)分(fen)析發現，氫氣(qi)(qi)(qi)納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)壽命可(ke)(ke)以(yi)穩定(ding)121天。

納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)穩(wen)定(ding)的(de)(de)關鍵因(yin)(yin)素是zeta電(dian)(dian)位(wei)。納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)具(ju)有(you)zeta電(dian)(dian)位(wei)，其特征就是氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)界(jie)面(mian)(mian)(mian)(mian)外側(ce)呈負(fu)電(dian)(dian)，內(nei)側(ce)呈正(zheng)電(dian)(dian)。彎曲液(ye)(ye)體(ti)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)能產(chan)生(sheng)電(dian)(dian)荷(he)是因(yin)(yin)為水分子(zi)(zi)結(jie)構或離(li)散性。電(dian)(dian)荷(he)排斥和表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力作用(yong)方向相反(fan)，具(ju)有(you)降(jiang)低內(nei)壓(ya)和表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力的(de)(de)作用(yong)。任何能增加(jia)負(fu)電(dian)(dian)荷(he)的(de)(de)物質都有(you)利于氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)液(ye)(ye)界(jie)面(mian)(mian)(mian)(mian)，如氫氧(yang)根離(li)子(zi)(zi)或用(yong)防靜電(dian)(dian)槍增加(jia)陰(yin)離(li)子(zi)(zi)能縮小納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)直徑。普(pu)通納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)直徑約150納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)，二氧(yang)化(hua)碳納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)混合1小時(shi)后直徑只(zhi)有(you)73納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)，是因(yin)(yin)為二氧(yang)化(hua)碳氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)界(jie)面(mian)(mian)(mian)(mian)有(you)高(gao)濃度(du)(du)碳酸根離(li)子(zi)(zi)。與表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)電(dian)(dian)荷(he)類似，納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)之間缺乏分子(zi)(zi)間范德瓦作用(yong)力（氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)電(dian)(dian)子(zi)(zi)密(mi)度(du)(du)接近(jin)為零(ling)），也能避免(mian)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)融合。分析(xi)發(fa)現，納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)電(dian)(dian)荷(he)能對(dui)抗(kang)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力，避免(mian)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)形成過高(gao)壓(ya)，能減少氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)因(yin)(yin)高(gao)壓(ya)向液(ye)(ye)體(ti)中(zhong)(zhong)溶(rong)解，避免(mian)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)發(fa)生(sheng)崩解。氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)達到平(ping)(ping)衡(heng)是穩(wen)定(ding)的(de)(de)基礎(chu)，那么(me)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)電(dian)(dian)荷(he)密(mi)度(du)(du)對(dui)穩(wen)定(ding)性是需要的(de)(de)。當納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)發(fa)生(sheng)收縮時(shi)，電(dian)(dian)荷(he)密(mi)度(du)(du)隨之增加(jia)，在這(zhe)個過程中(zhong)(zhong)，電(dian)(dian)荷(he)密(mi)度(du)(du)，電(dian)(dian)荷(he)是使氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)擴張(zhang)的(de)(de)作用(yong)。即使在平(ping)(ping)衡(heng)狀態(tai)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)內(nei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)仍然可以向未飽和的(de)(de)液(ye)(ye)體(ti)中(zhong)(zhong)溶(rong)解，除非這(zhe)種液(ye)(ye)體(ti)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)也充滿該氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)。

鹽離子(zi)濃度(du)是影(ying)響納米氣(qi)泡(pao)穩(wen)定性(xing)的(de)負面(mian)因素。研究(jiu)發現(xian)，高鹽離子(zi)能促進納米氣(qi)泡(pao)聚(ju)集和融合(he)，聚(ju)集是粒(li)子(zi)電荷受(shou)離子(zi)強度(du)破(po)壞導致的(de)鹽析現(xian)象，融合(he)是由于氣(qi)水界面(mian)發生了(le)變化。納米氣(qi)泡(pao)穩(wen)定性(xing)也會受(shou)到溶(rong)液性(xing)質如酸堿度(du)的(de)影(ying)響，理論上堿性(xing)約(yue)大，氣(qi)泡(pao)體積越(yue)大。

除(chu)界(jie)面(mian)電荷是(shi)(shi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)穩定性增加(jia)的(de)(de)(de)重要(yao)因素外，氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)和溶(rong)液(ye)之(zhi)間氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)雙向擴散速(su)率下降也(ye)是(shi)(shi)一(yi)種(zhong)關(guan)鍵因素。主(zhu)要(yao)原(yuan)因是(shi)(shi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)周圍存在一(yi)層殼體(ti)(ti)(ti)樣結(jie)(jie)構(gou)(gou)，這(zhe)層結(jie)(jie)構(gou)(gou)內(nei)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)溶(rong)解(jie)度(du)遠高(gao)于周圍自由度(du)高(gao)的(de)(de)(de)液(ye)體(ti)(ti)(ti)環境，這(zhe)種(zhong)現象在界(jie)面(mian)納(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)已(yi)經被證(zheng)實，估(gu)計在體(ti)(ti)(ti)相納(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)也(ye)存在類似結(jie)(jie)構(gou)(gou)（圖4）。Ohgaki等發現，納(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)表面(mian)的(de)(de)(de)氫鍵更(geng)強，限制了氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)從氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)表面(mian)向溶(rong)液(ye)中釋放。這(zhe)層結(jie)(jie)構(gou)(gou)感覺(jue)很類似生(sheng)物(wu)(wu)大(da)分子表面(mian)的(de)(de)(de)結(jie)(jie)合水，這(zhe)種(zhong)水因為(wei)和生(sheng)物(wu)(wu)分子形成穩定的(de)(de)(de)氫鍵，類似于晶(jing)體(ti)(ti)(ti)狀態，活動(dong)度(du)非常小(xiao)，可能是(shi)(shi)導(dao)致氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)溶(rong)解(jie)度(du)增加(jia)的(de)(de)(de)一(yi)個原(yuan)因。這(zhe)也(ye)類似于當前比較熱門的(de)(de)(de)界(jie)面(mian)水效應的(de)(de)(de)概(gai)念，納(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)大(da)概(gai)可能算一(yi)種(zhong)最安全的(de)(de)(de)界(jie)面(mian)水溶(rong)液(ye)制備方法。上海生(sheng)物(wu)(wu)物(wu)(wu)理(li)所張立娟教授(shou)曾經用(yong)同步輻射軟X線對納(na)米氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)表面(mian)這(zhe)種(zhong)水結(jie)(jie)構(gou)(gou)進行了研(yan)究，證(zheng)明是(shi)(shi)一(yi)種(zhong)非常特殊的(de)(de)(de)水結(jie)(jie)構(gou)(gou)。

圖4.納米氣泡外殼(ke)

與普通納米顆粒、膠體(ti)和(he)(he)油水(shui)乳液類似，納米氣(qi)泡也具有自組織趨勢。可能(neng)是(shi)由于界面電荷(he)、長范圍吸引、擴散緩慢(man)和(he)(he)界面高滲(shen)透(tou)壓梯度等因素的聯合作用。體(ti)相納米氣(qi)泡剛性(xing)大，不容易被壓縮，但是(shi)拉伸(shen)容易擴張(zhang)。

體相(xiang)納(na)米(mi)(mi)氣泡(pao)數量多的情況如電解(jie)水(shui)納(na)米(mi)(mi)氣泡(pao)，表(biao)面水(shui)比(bi)較多，能(neng)(neng)(neng)形成更多氫(qing)鍵，水(shui)合作用更明顯(xian)。納(na)米(mi)(mi)氣泡(pao)能(neng)(neng)(neng)提(ti)高水(shui)分子(zi)流動性(xing)，這種(zhong)現象可以用T2加權(quan)NMR質子(zi)弛(chi)豫時間延長來(lai)分析(xi)。S.Liu,et al.Chem.Eng.Sci.93(2013)250-256.260納(na)米(mi)(mi)激(ji)發(fa)波長，納(na)米(mi)(mi)氣泡(pao)可以在345納(na)米(mi)(mi)和(he)425納(na)米(mi)(mi)釋(shi)放出兩個微弱寬(kuan)弱熒光帶，可能(neng)(neng)(neng)是氣泡(pao)界面水(shui)合離子(zi)化合物誘導的電荷密度產生。P.Vallée,et al.J.Chem.Phys.122(2005)114513.礦物水(shui)中納(na)米(mi)(mi)氣泡(pao)能(neng)(neng)(neng)被(bei)磁化，這種(zhong)磁化能(neng)(neng)(neng)保(bao)持(chi)1天以上。K.Uehara et al.Magnetics,47(2011)2604-2607.

五、納米氣泡檢測方法

盡管(guan)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)非常(chang)穩(wen)定，但是氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)大小(xiao)分(fen)布(bu)、氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)數量和(he)平均(jun)大小(xiao)都會(hui)隨著(zhu)時間發生改變。界(jie)面納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)檢測(ce)常(chang)用(yong)原子力顯微(wei)鏡(jing)(jing)。體相(xiang)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)常(chang)用(yong)光散射、冷凍電子顯微(wei)鏡(jing)(jing)和(he)共(gong)振質量測(ce)量，共(gong)振質量測(ce)量對區分(fen)固(gu)體顆粒(li)是簡單方(fang)便的(de)技術。納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)溶液(ye)特(te)點會(hui)隨著(zhu)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)等效直徑、數量和(he)大小(xiao)分(fen)布(bu)的(de)影響。不同方(fang)法可能會(hui)有不同的(de)測(ce)定結果。

納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)受到(dao)布(bu)朗運(yun)動影響(xiang)大(da)，表面有(you)硬殼(ke)，其行(xing)為接近固體納(na)米(mi)顆粒(li)。因此納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)可(ke)以用動態(tai)光散(san)射(she)方(fang)(fang)法(fa)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)，動態(tai)光散(san)射(she)是利(li)用經過通過樣品的反射(she)波形改變進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)。波形受顆粒(li)布(bu)朗運(yun)動影響(xiang)，大(da)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)產生的散(san)射(she)作用強，但(dan)波動比較慢。用Stokes-Einstein公式計算擴散(san)常數(shu)確定顆粒(li)半徑。D=kT/(3ηπd)（D=擴散(san)系數(shu)，k=波爾茲曼常數(shu)，T=絕對溫(wen)度，η=粘度，d=顆粒(li)直(zhi)徑）。這種(zhong)方(fang)(fang)法(fa)最多能(neng)測(ce)量(liang)每(mei)毫升10億(yi)納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)。分(fen)析(xi)總體信號可(ke)以獲得氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)數(shu)量(liang)和大(da)小分(fen)布(bu)，但(dan)不能(neng)獲得每(mei)個氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)的運(yun)動情況。納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)運(yun)動需要用納(na)米(mi)顆粒(li)跟蹤分(fen)析(xi)方(fang)(fang)法(fa)。

納(na)米顆(ke)(ke)粒(li)跟(gen)蹤分(fen)(fen)析(xi)如NanoSight是相對分(fen)(fen)析(xi)方法，這種方法利用光散射跟(gen)蹤小(xiao)體(ti)積(ji)（80 pL）中的每個(ge)(ge)氣泡，能(neng)確定特定時(shi)間納(na)米氣泡在(zai)X或Y軸上的運動(dong)。顆(ke)(ke)粒(li)運動(dong)速度決定于顆(ke)(ke)粒(li)大小(xiao)，體(ti)積(ji)越大速度越小(xiao)。相對于動(dong)態光散射每毫升(sheng)至少107個(ge)(ge)納(na)米氣泡，納(na)米顆(ke)(ke)粒(li)跟(gen)蹤分(fen)(fen)析(xi)能(neng)分(fen)(fen)析(xi)更低(di)濃度納(na)米氣泡。

共(gong)(gong)(gong)振質量(liang)測(ce)量(liang)是(shi)(shi)對流(liu)過(guo)一個(ge)共(gong)(gong)(gong)振跳板納(na)(na)米(mi)氣(qi)泡進行的(de)(de)測(ce)量(liang)，這是(shi)(shi)一種比較新的(de)(de)技(ji)術，能(neng)清楚區分固體和氣(qi)體納(na)(na)米(mi)顆粒(li)。1微升(sheng)納(na)(na)米(mi)氣(qi)泡溶(rong)液(ye)通(tong)過(guo)共(gong)(gong)(gong)振器每分鐘約12納(na)(na)升(sheng)，理想狀(zhuang)況是(shi)(shi)每秒通(tong)過(guo)一個(ge)納(na)(na)米(mi)氣(qi)泡，改(gai)變有(you)效質量(liang)并(bing)被轉(zhuan)換為共(gong)(gong)(gong)振頻率。

庫(ku)爾特氏計(ji)數(shu)器(qi)是病毒和(he)細菌等微(wei)(wei)生物(wu)的(de)計(ji)數(shu)裝置(zhi)，主(zhu)要由兩個小室組成(cheng)，中間以不(bu)導電(dian)的(de)薄隔(ge)板隔(ge)開，隔(ge)板帶(dai)有大(da)小與待計(ji)數(shu)的(de)顆(ke)(ke)粒(li)類(lei)似的(de)單(dan)一小孔，每個小室都有電(dian)極。當納米(mi)(mi)氣泡等顆(ke)(ke)粒(li)進入微(wei)(wei)管時，因為管內(nei)液體被氣泡代替，電(dian)阻發生改變(bian)，其變(bian)化和(he)顆(ke)(ke)粒(li)體積有關系，利(li)用這個特征可對通過微(wei)(wei)管的(de)納米(mi)(mi)氣泡進行計(ji)數(shu)和(he)體積計(ji)算。

直徑超過(guo)500納米(mi)的(de)(de)大納米(mi)氣(qi)泡能用(yong)高分(fen)辨光學(xue)顯微鏡(jing)進行(xing)圖像分(fen)析，觀察時需要用(yong)亞甲(jia)藍(lan)進行(xing)染色(se)。也有利用(yong)氣(qi)泡內氣(qi)體成分(fen)的(de)(de)性質進行(xing)檢測(ce)的(de)(de)方(fang)法(fa)，例如用(yong)紅(hong)外探測(ce)二氧化碳納米(mi)氣(qi)泡。

Zeta電(dian)位(wei)也(ye)(ye)經(jing)常(chang)作(zuo)為納米(mi)氣(qi)泡(pao)探測指標，研究顯示當zeta電(dian)位(wei)比(bi)較(jiao)大時也(ye)(ye)是納米(mi)氣(qi)泡(pao)穩定性的原因，但是這種電(dian)位(wei)不能提供氣(qi)泡(pao)數量和體(ti)積的信息。

有人說，納(na)米氣(qi)(qi)泡表面有負電位(wei)，其實就是這種Zeta電位(wei)。納(na)米氣(qi)(qi)泡和膠體顆粒的性質(zhi)類似(si)，在表面都會形成一層(ceng)電位(wei)，這種電位(wei)在物(wu)理學上有專門的名稱，叫(jiao)Zeta電位(wei)。Zeta電位(wei)高峰是氣(qi)(qi)泡直(zhi)經(jing)在10-30微米時。在氣(qi)(qi)泡直(zhi)經(jing)減小小時有電位(wei)減少(shao)的傾向。

由于(yu)分(fen)散(san)粒子(zi)(zi)表面(mian)帶有電(dian)荷而吸引周(zhou)圍的反號離(li)子(zi)(zi)，這些反號離(li)子(zi)(zi)在兩相(xiang)界面(mian)呈擴散(san)狀態分(fen)布而形(xing)成擴散(san)雙(shuang)電(dian)層。測量Zeta電(dian)位(wei)的方法(fa)(fa)主要有電(dian)泳(yong)法(fa)(fa)、電(dian)滲法(fa)(fa)、流動(dong)電(dian)位(wei)法(fa)(fa)和超聲法(fa)(fa)，其中電(dian)泳(yong)法(fa)(fa)應用(yong)最廣。測量納米氣泡Zeta電(dian)位(wei)可使用(yong)Zeta電(dian)位(wei)分(fen)析儀。