自然现象启发下的纳米气泡制备及其应用

发布时间：2025-02-08 15:55

　　表面与界面科学是最近数十年兴起的一门涉及材料科学、凝聚态物理、有机大分子等领域的学科。科学家们在研究诸多涉及物质的问题时,往往将其假设为无限延伸且连续的材料以在计算中进行大量简化,得到一个简单的数值解。然而,这种逻辑并不适用于戛然截断的两相甚至三相物质的交界处。在这些表面与界面位置,材料的性质总是与常规性质和理论有很大的差异。水中的气泡,尤其是尺度在纳米量级的气泡就更是如此。自2000年第一次直接观测至今,纳米气泡以其独特的物化性质吸引了众多科研工作者的极大兴趣。纳米气泡的存在,与现今物理学中适用的数个经典理论相违背。根据拉普拉斯方程,尺度在纳米范围的气泡内部压强可达数百万甚至数千万帕斯卡,如此巨大的数值足以令其在数毫秒内溶解;另外根据杨氏方程,水中纳米气泡与各种疏水或亲水表面的接触角均大于宏观水的接触角数十度(水侧),这些难以解释的现象自然而然地招致大量的质疑。同时,由于检测手段的缺乏,目前对于纳米气泡的检测往往陷于外部形貌与内部信息二者不可得兼的窘境之中,这又导致面对非议时难以直接回击。不过,尽管基础研究进步缓慢,纳米气泡在实际应用方面却百花齐放,表面清洁、动植物养殖、医学影像、矿物...

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【部分图文】：

图1-6(a)石墨材料表面纳米气泡的AFM图像;(b)普通气泡和纳米气泡模型示意图。

作为纳米气泡这一概念出现的先导者,表面纳米气泡通常指的是液体中固体界面上存在的尺寸在纳米量级的气体聚集区域,如下图1-6所示。根据众多课题组的AFM测量结果[9-12],其在固体表面的高度通常在1nm至100nm之间,而其与固体接触圆面的直径则通常可以达到10nm至2000....

图1-8(a)单层和三层石墨烯在质子束流照射后表面形貌的变化;(b)单层石墨烯在质子束照射后的高分辨率3D模型。

日常生活定义中,气泡指的是液体内的一小团空气或气体。但是,被固体材料所束缚的一团气体在科研领域内通常也可以被称作气泡。倘若此固体中的气团粒径在纳米量级,则可以称之为固体中的纳米气泡。以石墨烯为例,2008年,E.Stolyarova观察发现在二氧化硅表面上铺设单层或三层石墨烯材料....

图1-12(a)亲水性针尖和(b)疏水性针尖与纳米气泡相互作用的示意图。

而在对纳米气泡的探测方面,AFM依旧得心应手。胡钧研究员课题组在AFM测定纳米气泡这一领域内走得最久。从早年开始,就利用tapping模式探究纳米气泡对温度的响应、受脱气水干扰时的行为等[55,56];之后,又利用了PeakforceQNM模式定量测算纳米气泡的硬度和不同乙醇浓....

图1-13基于原子力显微镜的红外光谱可以同时探测纳米材料的形貌和其化学成分的红外光谱图。

当然,纵使AFM具有如上各种优势,仍有一点瑕疵存在,即不能分辨纳米区域内物质的化学组分。目前,质疑AFM测量的“纳米气泡状”的物质其实是油滴的声音仍然存在。为了排除这些猜忌,最近的实验也进行了多方面的改进:一是通过深度脱气对照进行间接证明;二是利用ForceVolume模式测量....

本文编号：4031607