發(fā)現(xiàn)納米氣泡生成誘導(dǎo)的非氣態(tài)顆粒形成

― 通過沉降被認為是納米氣泡的顆粒來測量質(zhì)量 ―

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由九州工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院植松由紀副教授和九州大學(xué)研究生院理學(xué)研究科的木村康之教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組通過在水中產(chǎn)生大量微小氣泡并測量長時間后殘留在溶液中的納米粒子的粒徑和質(zhì)量密度，發(fā)現(xiàn)納米粒子不是氣泡。這一發(fā)現(xiàn)有望為工業(yè)中應(yīng)用的微氣泡*1 清潔技術(shù)的創(chuàng)新做出重大貢獻，并回答納米氣泡*2是否真的是“氣泡”（氣體）這一基本問題。

觀點

• 自 2000 年代以來，理論上不存在的長期穩(wěn)定納米氣泡被一個接

• 一個地通過實驗觀察到。

• 他們測量了被認為是納米氣泡的顆粒的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)它們是非氣態(tài)

• 顆粒。

• 這是世界上第一次僅使用顯微鏡測量納米氣泡的質(zhì)量。

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<背景>如果水中的氣泡很大，它會浮出水面并在水面上爆裂，但如果它變成直徑為 1 微米或更小的稱為納米氣泡的氣泡，浮力的效果就會降低，它可以漂浮在水中。但是，從理論上講，在直徑為 1 微米的氣泡中，由于表面張力的作用，內(nèi)部氣體的壓力增加，氣泡中的氣體越來越多地溶解在水中，氣泡在幾毫秒內(nèi)收縮消失。換句話說，理論上納米氣泡在水中并不穩(wěn)定存在。

然而，自 2000 年代以來，在實驗中相繼觀察到在水中長期保持穩(wěn)定的納米氣泡，納米氣泡為什么存在的問題成為爭議的話題。

從 2018 年左右開始，就有人指出，納米氣泡的質(zhì)量很有可能是不是氣泡而是固體或液體粒子，但能夠測量質(zhì)量的儀器是有限的，而據(jù)這個研究小組所知，世界上只有兩個小組測量過。

<研究內(nèi)容>本研究

使用100多年前開發(fā)的暗場顯微鏡*3的觀測結(jié)果，首次實時觀察了納米氣泡在重力作用下的沉淀（圖A和B）（圖C）。由于沒有比水重的氣體，因此發(fā)現(xiàn)本研究中觀察到的納米氣泡是非氣態(tài)顆粒。此外，我們成功地從沉降平衡狀態(tài)下納米氣泡的粒子數(shù)密度分布*4 計算出納米氣泡的質(zhì)量密度。

由于我們僅使用高度通用的顯微鏡就能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量測量，因此認為該方法可以很容易地被其他研究小組復(fù)制，我們預(yù)計在未來的研究中將進行許多專注于納米氣泡質(zhì)量的研究。

此外，如果不經(jīng)過氣泡生成過程，則無法從測量的超純水樣品中測量此類非氣體顆粒。

因此，我們澄清了被測的直徑約為 450 納米的非氣體顆粒是由氣泡形成過程產(chǎn)生的。

沒有證據(jù)否認直徑為 100 納米或更小的納米氣泡的存在，這些納米氣泡尚未在本研究小組的實驗系統(tǒng)中進行測量。

因此，雖然尚未普遍證明納米氣泡不會在水中長期穩(wěn)定存在，但至少通過產(chǎn)生氣泡獲得的納米氣泡消失了，這可能有助于非氣體顆粒的形成。

<未來發(fā)展>

含有微氣泡的水，稱為微納米氣泡水，具有很高的生物活性和清潔效果，已經(jīng)在各種工業(yè)場合中投入實際使用。

在這項研究中，我們闡明了當(dāng)在幾個小時的時間尺度上考慮這種微納米氣泡水時，水中的細顆粒已經(jīng)從氣泡轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌晒腆w或液體組成的細顆粒。

另一方面，目前尚不清楚它是在幾秒鐘到幾分鐘的時間是氣體粒子，但在幾個小時后變成非氣體粒子，還是在幾秒鐘到幾分鐘后已經(jīng)變成非氣體粒子。

氣泡水實際使用的時間尺度從幾秒鐘到幾分鐘不等，人們認為有必要在未來更短的時間內(nèi)闡明氣泡如何變成細小顆粒，以增加微納米氣泡水在工業(yè)應(yīng)用中的價值。

此外，據(jù)推測，細顆粒的化學(xué)成分來源于雜質(zhì)，但我們預(yù)計將進一步研究雜質(zhì)的來源及其與微納米氣泡水清潔功能的關(guān)系，這將有助于微納米氣泡水的進一步技術(shù)創(chuàng)新。

這項研究的結(jié)果發(fā)表在《Physica A：統(tǒng)計力學(xué)及其應(yīng)用》雜志上（2024 年 7 月 6 日）。

圖 （a）. 通過顯微鏡在不同高度觀察水中納米氣泡的實驗系統(tǒng)示意圖。
圖 （b）. 使用暗場顯微鏡觀察納米氣泡的圖像。圖 （c）. 納米氣泡粒子數(shù)密度的時間變化示意圖。可以看出，納米氣泡在 0 分鐘時均勻存在于水中，隨著時間的推移，它們正在沉降在下部。

[術(shù)語解釋]
*1 微氣泡：直徑為 1 微米至 100 微米的氣泡。它也被稱為細氣泡。（1 微米 = 1/1000 毫米）
*2 納米氣泡：直徑小于 1 微米的氣泡。它也被稱為超細氣泡。
*3 暗場顯微鏡：可以使用散射光而不是透射光觀察樣品的顯微鏡。可以知道小于光波長的納米粒子的位置。
*4 沉降平衡：熱波動引起的擴散和重力引起的沉降平衡的平衡狀態(tài)。根據(jù)統(tǒng)計力學(xué)，粒子數(shù)密度是作為高度函數(shù)的指數(shù)分布。

■ 出版物

* 本研究由日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu) （JST） PRESTO 戰(zhàn)略基礎(chǔ)研究計劃“用于闡明、預(yù)測和控制復(fù)雜流動和傳輸現(xiàn)象的新流體科學(xué)（研究主管：Susumu Goto）”資助，用于研究項目“在微納界面系統(tǒng)中創(chuàng)建離子流體科學(xué)（首席研究員：Yuki Uematsu，JPMJPR21O2）”。

原文鏈接https://www.kyutech.ac.jp/whats-new/press/entry-10738.html