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神乎其神的小气泡——纳米气泡

信息来源: http://leilangkj.com  时间:2016-03-25 14:38:04 

按物理学家的看法,这种纳米小气泡不应该存在,但它们偏偏存在;这还不算,它们的寿命长到足可让观察者失去耐心。而且,它们已经在很多领域大显身手。

从远处看,这似乎是一幅田园风光;一只小船悠闲荡漾在湖面上,双桨横在其上。让人不禁想起野渡无人舟自横的诗句。岸边,在遮阳篷下,一群游客正围着一个大茶壶在忙碌着什么。

但移近点看,事情就没那么美妙了。绿莹莹的湖面,恶臭扑鼻,湖里了无生机,而这就是被誉为中国鱼米之乡的太湖在2007年前后的景象。由于数十年毫无顾忌的污水排放,又经历了一场旷日持久的干旱,那时太湖已被大量繁殖的蓝藻所窒息。

那群游客其实是来自中国科学院的科学家们,为首的名叫潘刚。那个看似大茶壶一样的东西,是一台机器。那条船并非为游客而备,它通过一条软管与岸边的机器相连,把机器里产生的一种充满泡沫的泥浆朝湖面上抛洒。通过这种办法,他们正试图让太湖重现生机。

纳米气泡,生存还是破灭?

那充满泡沫的泥浆有什么魔力,竟能让太湖起死回生?

原来在这项试验中,起核心作用的是一种叫纳米气泡的东西。可是说来不可思议,物理学家至今对这种神奇小气泡的存在还无法解释。

这种小气泡为何这么神奇?

我们不妨先来看看一个气泡要维持不破所需的条件。拿肥皂泡来说,它的气泡壁是一层薄薄的水膜,泡内含有空气,形成往外膨胀的气压,而气泡壁又受着外面空气朝内的压力。当气泡内的压强恰好等于气泡外的压强与表面张办所形成的压强之和时,气泡才能稳定存在。但对于暴露在空气中的肥皂泡,其壁太薄,气泡内的气体分子很容易透过水膜逃逸出去,造成里面压强逐渐下降了,降到一定程度,再也无法与外面的压强抗衡,于是气泡就破了。这种情况下,气泡可以说是被压破的。

因为要维持气泡内外受力平衡的条件是如此脆弱,所以一般来说,气泡的寿命都很短。小气泡尤其如此。气泡越小,表面张力就越大,气泡内需要很高的压强才能与之抗衡。当气泡小到纳米量级,所需要抗衡的液体表面张力繁荣昌盛到如此之高,以至于气泡还来不及形成就破裂了。所以,按物理学家的看法,纳米小气泡永远不会存在。

纳米气泡,难以猜测

但有些蹊跷的是,事情并非如此。1994年,一位瑞士化学家把两块不沾水的材料浸入水中,想测量一下它们表面之间的作用力。当让两块材料平行靠近时,排斥力随着距离的减小而增加。可是当两者之间的距离只有几百个纳米时,这个排斥力突然下降了。这个现象当时弄得他莫名其妙。

直到几年前,一位澳大利亚学者才给出了一个比较合理的解释。他认为材料表面可能分布着大量纳米小气泡,当两表面接近时,气泡和气泡会有合并的倾向,因而在这一过程中会相互吸引。经过一番计算,这种小气泡内部的压强高达100个大气压,差不多是水下1千米深处所承受的压强。

这听起来几乎是不可能的,但2001年,在扫描显微镜的帮助下,有科学家在浸入水中的一块硅片上还真观察到了一些半球形的纳米小气泡,它们就像蘑菇一样附着在硅片表面。

但没有人能够解释产生这种现象的原因。2011年,当一位荷兰科学家用原子力显微镜观察纳米气泡时,发现了更奇怪的现象:由于纳米气泡内部惊人的高气压,气体分子会很快逃逸出气泡壁,但一个纳米气泡里顶多只有几千个气体分子,而每秒钟逸出的气体分子却多达1亿个,真是奇哉怪也!而且,以这样快的速度丧失气体,按理说,纳米气泡应该转瞬即逝,但又一次出乎意料的是,它们能存在很长时间,你想观察多久,它们就能存在多久。

这一切奇奇怪怪的事情真让科学家不知所措。有人只好猜测,或许气泡内的气体不断得到补充。但这种解释也很成问题:要给气压如此之高的气泡充气,需要消耗能量,但能量来自何处?要是没有能量来源,那就破坏了热力学定律。

净化水质,一试身手

但解释不了纳米气泡存在的原因,并不妨害它的应用。自2006年起,中国科学院潘刚就受当地政府的委托,负责尝试用这项新发现去处理饱受污染的太湖水。

他的计划很简单:太湖水是因湖面蓝藻之类的微生物大量繁殖,水表被隔绝了氧气而窒息死的,因此只要把氧气重新泵入湖中即可。但这件事用传统的办法处理是非常低效的,需要消耗大量的能量,而且大多数泵入水中的氧来不及溶解就会浮出水面,重新回到空气中。

为解决这个棘手问题,潘刚先把湖边的泥土用水调配成泥浆,然后通氧气;虽然大的气泡会立即破裂,但在泥浆中,尺寸大约在10纳米左右的氧气小气泡却留存了下来;把这些泥浆抛洒到湖面上,湖面上的蓝藻几分钟之内就会被泥浆拖着沉入湖底;泥浆里的氧气泡就会溶解于水,可供水中的动植物使用;一旦有了鱼类等水生物,它们就可以湖面上的蓝藻为食,帮助净化水质,从而形成良性循环。这个过程能量利用率比较高,而且不会有新的污染。

试验的效果不错,仅用半个小时,在5000平方米的湖面上清理掉了整整1厘米厚的蓝藻,第二天作为蓝藻代谢产物和湖水恶臭来源的污染物——氨水、硝酸盐和磷肥的浓度都大为降低。四个月后,水下的植物和浮游生物开始重新繁茂起来。

纳米气泡,更广阔的用途

但净化水质还不是纳米气泡的唯一用途。

像油轮这样常年在海上航行的大轮船,每年都要浪费巨量的燃料,因为像藤壶之类的生物会附着在船体上,使得轮船在水中航行更加吃力。所以,如果能找到一种简单易行的洗身办法,每年可替每艘轮船节约数百万美元。

美国的一位科学家就找到了一个办法。他把船体变成一个巨大的电极,只要通以微弱的电流,在船体上就会产生大量纳米小气泡;这些小气泡阻止海洋生物附着在船体上,实验表明,这是可行的。虽然具体的细节至今仍然没有搞清楚,但其中能否产生纳米气泡是这项技术的关键。

同样的办法还可以用来清洗用于制造计算机芯片的硅晶。附着在硅晶表面的任何形式的污染物,像石英、铁或者铝的粉尘等等。对于在其上需要蚀刻高精度电子线路的硅晶来说,都足以造成严重的缺陷。但粉尘污染在加工过程中又不可避免,传统的清洗过程涉及很多道工序,并且清洗液会给环境带来严重污染。

于是有人又想到了纳米气泡。通过让硅晶表面形成纳米气泡,适当加热,其表面的粉尘就会被气泡托起并浮上来,从而被除去。传统工艺需要半个小时才能完成的事情,新工艺仅需一分钟即可,而且不需要使用有害的化学物质。

迄今对纳米气泡的应用最具争议的是一种新型抗炎药物。这种药物已于2010年通过美国食品和药品管理局批准,投入临床试验,并取得很好的疗效,但其抗炎原理是个谜,厂家声称,其疗效很大一部分来自纳米氧气泡。按制造商的说法,一旦药物分子中含有纳米氧气泡,它们的生物化学性质就会变得活泼起来,从而达到治病的效果。而在制造这种药物的过程中,其中有一道重要工序就是设法让纳米氧气泡附着到药物分子表面上去。

虽然许多科学家对此说法颇为怀疑,但在纳米气泡的众多谜团尚未解开之前,也不敢贸然否定。倘若厂家的说法属实,纳米气泡就越发神奇,未来的应用前景也就越广阔了

 


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