发现纳米气泡生成诱导的非气态颗粒形成
― 通过沉降被认为是纳米气泡的颗粒来测量质量 ―
由九州工业大学信息工程学院植松由纪副教授和九州大学研究生院理学研究科的木村康之教授领导的联合研究小组通过在水中产生大量微小气泡并测量长时间后残留在溶液中的纳米粒子的粒径和质量密度,发现纳米粒子不是气泡。这一发现有望为工业中应用的微气泡*1 清洁技术的创新做出重大贡献,并回答纳米气泡*2是否真的是“气泡”(气体)这一基本问题。
观点
自 2000 年代以来,理论上不存在的长期稳定纳米气泡被一个接
一个地通过实验观察到。
他们测量了被认为是纳米气泡的颗粒的质量,发现它们是非气态
颗粒。
这是世界上第一次仅使用显微镜测量纳米气泡的质量。
<背景>如果水中的气泡很大,它会浮出水面并在水面上爆裂,但如果它变成直径为 1 微米或更小的称为纳米气泡的气泡,浮力的效果就会降低,它可以漂浮在水中。但是,从理论上讲,在直径为 1 微米的气泡中,由于表面张力的作用,内部气体的压力增加,气泡中的气体越来越多地溶解在水中,气泡在几毫秒内收缩消失。换句话说,理论上纳米气泡在水中并不稳定存在。
然而,自 2000 年代以来,在实验中相继观察到在水中长期保持稳定的纳米气泡,纳米气泡为什么存在的问题成为争议的话题。
从 2018 年左右开始,就有人指出,纳米气泡的质量很有可能是不是气泡而是固体或液体粒子,但能够测量质量的仪器是有限的,而据这个研究小组所知,世界上只有两个小组测量过。
<研究内容>本研究
使用100多年前开发的暗场显微镜*3的观测结果,首次实时观察了纳米气泡在重力作用下的沉淀(图A和B)(图C)。由于没有比水重的气体,因此发现本研究中观察到的纳米气泡是非气态颗粒。此外,我们成功地从沉降平衡状态下纳米气泡的粒子数密度分布*4 计算出纳米气泡的质量密度。
由于我们仅使用高度通用的显微镜就能够实现质量测量,因此认为该方法可以很容易地被其他研究小组复制,我们预计在未来的研究中将进行许多专注于纳米气泡质量的研究。
此外,如果不经过气泡生成过程,则无法从测量的超纯水样品中测量此类非气体颗粒。
因此,我们澄清了被测的直径约为 450 纳米的非气体颗粒是由气泡形成过程产生的。
没有证据否认直径为 100 纳米或更小的纳米气泡的存在,这些纳米气泡尚未在本研究小组的实验系统中进行测量。
因此,虽然尚未普遍证明纳米气泡不会在水中长期稳定存在,但至少通过产生气泡获得的纳米气泡消失了,这可能有助于非气体颗粒的形成。
<未来发展>
含有微气泡的水,称为微纳米气泡水,具有很高的生物活性和清洁效果,已经在各种工业场合中投入实际使用。
在这项研究中,我们阐明了当在几个小时的时间尺度上考虑这种微纳米气泡水时,水中的细颗粒已经从气泡转变为其他由固体或液体组成的细颗粒。
另一方面,目前尚不清楚它是在几秒钟到几分钟的时间是气体粒子,但在几个小时后变成非气体粒子,还是在几秒钟到几分钟后已经变成非气体粒子。
气泡水实际使用的时间尺度从几秒钟到几分钟不等,人们认为有必要在未来更短的时间内阐明气泡如何变成细小颗粒,以增加微纳米气泡水在工业应用中的价值。
此外,据推测,细颗粒的化学成分来源于杂质,但我们预计将进一步研究杂质的来源及其与微纳米气泡水清洁功能的关系,这将有助于微纳米气泡水的进一步技术创新。
这项研究的结果发表在《Physica A:统计力学及其应用》杂志上(2024 年 7 月 6 日)。
图 (a). 通过显微镜在不同高度观察水中纳米气泡的实验系统示意图。
图 (b). 使用暗场显微镜观察纳米气泡的图像。图 (c). 纳米气泡粒子数密度的时间变化示意图。可以看出,纳米气泡在 0 分钟时均匀存在于水中,随着时间的推移,它们正在沉降在下部。
[术语解释]
*1 微气泡:直径为 1 微米至 100 微米的气泡。它也被称为细气泡。(1 微米 = 1/1000 毫米)
*2 纳米气泡:直径小于 1 微米的气泡。它也被称为超细气泡。
*3 暗场显微镜:可以使用散射光而不是透射光观察样品的显微镜。可以知道小于光波长的纳米粒子的位置。
*4 沉降平衡:热波动引起的扩散和重力引起的沉降平衡的平衡状态。根据统计力学,粒子数密度是作为高度函数的指数分布。
■ 出版物
论文标题 | “纳米气泡辅助在水中形成非气态纳米颗粒” |
作者 | Riku Miyazaki、Yasuyuki Kimura 和 Yuki Uematsu |
杂志名称 | Physica A:统计力学及其应用 |
数字对象标识符 | 10.1016/j.physa.2024.129932 |
* 本研究由日本科学技术振兴机构 (JST) PRESTO 战略基础研究计划“用于阐明、预测和控制复杂流动和传输现象的新流体科学(研究主管:Susumu Goto)”资助,用于研究项目“在微纳界面系统中创建离子流体科学(首席研究员:Yuki Uematsu,JPMJPR21O2)”。
原文链接https://www.kyutech.ac.jp/whats-new/press/entry-10738.html