概述

　   九州工業(yè)大學(xué)研究生院信息工學(xué)研究科的植松由紀(jì)副教授和九州大學(xué)理學(xué)研究科的木村康幸教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組，研究了單個(gè)氣泡在水中的移動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短。里面分散著很多幾十微米的氣泡，我闡明了變化的規(guī)律。這一發(fā)現(xiàn)將改進(jìn)工業(yè)上使用的微納米氣泡^{*1的尺寸控制方法，并闡明納米氣泡*2}的穩(wěn)定性，這是基礎(chǔ)科學(xué)中尚未解決的問題。未來，比如開發(fā)不使用洗滌劑就能去除污垢的洗滌水，開發(fā)農(nóng)業(yè)和漁業(yè)用水以提高蔬菜的產(chǎn)量和魚貝類養(yǎng)殖的成活率、工業(yè)技術(shù)開發(fā)等，我們相信這將會(huì)為發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

觀點(diǎn)

      我們闡明了一個(gè)規(guī)則，該規(guī)則可以預(yù)測(cè)水中分散有許多數(shù)十微米氣泡的水中單個(gè)氣泡尺寸隨時(shí)間的變化。通過使用直接顯微觀察和圖像分析，而不是僅測(cè)量氣泡半徑的平均值和分布函數(shù)的傳統(tǒng)方法，我們單獨(dú)測(cè)量了約1000個(gè)氣泡的半徑變化。

結(jié)果表明，在飽和晶體溶液中存在許多晶粒時(shí)觀察到的被稱為奧斯特瓦爾德熟化^{*3的現(xiàn)象在氣泡分散體系中也成立。}

圖1.（左）分散有許多微氣泡的水的顯微鏡觀察。（右）顯示氣泡徑向速度的半徑依賴性的示意圖。實(shí)線顯示了擴(kuò)散控制奧斯特瓦爾德熟化的理論公式。

      水中的氣泡科學(xué)的一個(gè)大謎團(tuán)是，為什么比微納米氣泡更小的納米氣泡能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在。這些納米氣泡最初被認(rèn)為是不存在的，因?yàn)樾馀萃ǔ：芸炀蜁?huì)破裂。然而，隨著納米級(jí)粒子檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)證實(shí)納米氣泡在產(chǎn)生后可以在水中保持穩(wěn)定數(shù)周至數(shù)月。然而，到目前為止還沒有理論可以解釋這些納米氣泡的存在。

     因此，本研究的目的是通過實(shí)驗(yàn)闡明納米氣泡的半徑如何隨時(shí)間變化，重點(diǎn)關(guān)注比納米氣泡更大且可以在顯微鏡下觀察到的微氣泡。在顯微鏡下觀察分散有許多納米氣泡的納米氣泡水，每分鐘拍攝約1000個(gè)納米氣泡的圖像。通過計(jì)算機(jī)分析圖像，我們獲得了每個(gè)氣泡半徑在 90 分鐘內(nèi)的時(shí)間變化。

     分析結(jié)果表明，在某一時(shí)刻氣泡半徑同時(shí)存在膨脹和收縮變化，且邊界由整體平均半徑大致確定，可見氣泡正在收縮。這是一種類似于奧斯特瓦爾德熟化的現(xiàn)象，當(dāng)飽和晶體溶液中存在許多大大小小的晶粒時(shí)就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。此外，當(dāng)我們更詳細(xì)地研究具有一定半徑的氣泡的徑向速度^*4時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)水中微氣泡的行為是擴(kuò)散控制的，其中氣泡內(nèi)的氣體分子從小氣泡擴(kuò)散到大氣泡。^{* 5}型奧斯特瓦爾德成熟，可以定量預(yù)測(cè)和解釋（圖1）。

      這一發(fā)現(xiàn)是分散有大量氣泡的系統(tǒng)所特有的現(xiàn)象。在許多應(yīng)用中，微氣泡經(jīng)常以分散在水中的狀態(tài)使用，但大多數(shù)關(guān)于氣泡半徑隨時(shí)間變化的研究?jī)H集中于單個(gè)氣泡。因此，本研究同時(shí)處理大量氣泡的觀點(diǎn)是新穎的。這一發(fā)現(xiàn)有望為從理論上解釋納米氣泡的存在提供一個(gè)墊腳石。人們還相信，這將有助于微氣泡水工業(yè)應(yīng)用中與氣泡尺寸控制相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新。

 該研究成果發(fā)表在美國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊《化學(xué)物理雜志》（2022年12月28日）上。

詞匯表

*1 微氣泡：直徑為1～100微米的氣泡。又稱細(xì)泡。（1 微米 = 1/1000 毫米）
*2 納米氣泡：直徑小于 1 微米的氣泡。也稱為超細(xì)氣泡。
*3 奧斯特瓦爾德熟化：當(dāng)飽和晶體溶液中有許多晶體顆粒時(shí)，小顆粒變得更小，大顆粒變得更大的現(xiàn)象。在水、合金體系等中的油滴中也觀察到類似的現(xiàn)象。
*4 徑向速度：氣泡半徑變化的速度。擴(kuò)張時(shí)變?yōu)檎?，收縮時(shí)變?yōu)樨?fù)值。
*5 擴(kuò)散速率控制：擴(kuò)散在動(dòng)力學(xué)中是最慢的，擴(kuò)散成為減慢動(dòng)力學(xué)的瓶頸。