概述
九州工业大学研究生院信息工学研究科的植松由纪副教授和九州大学理学研究科的木村康幸教授领导的联合研究小组,研究了单个气泡在水中的移动时间的长短。里面分散着很多几十微米的气泡,我阐明了变化的规律。这一发现将改进工业上使用的微纳米气泡*1的尺寸控制方法,并阐明纳米气泡*2的稳定性,这是基础科学中尚未解决的问题。未来,比如开发不使用洗涤剂就能去除污垢的洗涤水,开发农业和渔业用水以提高蔬菜的产量和鱼贝类养殖的成活率、工业技术开发等,我们相信这将会为发展做出贡献。
观点
我们阐明了一个规则,该规则可以预测水中分散有许多数十微米气泡的水中单个气泡尺寸随时间的变化。通过使用直接显微观察和图像分析,而不是仅测量气泡半径的平均值和分布函数的传统方法,我们单独测量了约1000个气泡的半径变化。
结果表明,在饱和晶体溶液中存在许多晶粒时观察到的被称为奥斯特瓦尔德熟化*3的现象在气泡分散体系中也成立。
图1.(左)分散有许多微气泡的水的显微镜观察。(右)显示气泡径向速度的半径依赖性的示意图。实线显示了扩散控制奥斯特瓦尔德熟化的理论公式。
水中的气泡科学的一个大谜团是,为什么比微纳米气泡更小的纳米气泡能够长期稳定存在。这些纳米气泡最初被认为是不存在的,因为小气泡通常很快就会破裂。然而,随着纳米级粒子检测技术的最新进展,实验证实纳米气泡在产生后可以在水中保持稳定数周至数月。然而,到目前为止还没有理论可以解释这些纳米气泡的存在。
因此,本研究的目的是通过实验阐明纳米气泡的半径如何随时间变化,重点关注比纳米气泡更大且可以在显微镜下观察到的微气泡。在显微镜下观察分散有许多纳米气泡的纳米气泡水,每分钟拍摄约1000个纳米气泡的图像。通过计算机分析图像,我们获得了每个气泡半径在 90 分钟内的时间变化。
分析结果表明,在某一时刻气泡半径同时存在膨胀和收缩变化,且边界由整体平均半径大致确定,可见气泡正在收缩。这是一种类似于奥斯特瓦尔德熟化的现象,当饱和晶体溶液中存在许多大大小小的晶粒时就会发生这种现象。此外,当我们更详细地研究具有一定半径的气泡的径向速度*4时,我们发现水中微气泡的行为是扩散控制的,其中气泡内的气体分子从小气泡扩散到大气泡。* 5型奥斯特瓦尔德成熟,可以定量预测和解释(图1)。
这一发现是分散有大量气泡的系统所特有的现象。在许多应用中,微气泡经常以分散在水中的状态使用,但大多数关于气泡半径随时间变化的研究仅集中于单个气泡。因此,本研究同时处理大量气泡的观点是新颖的。这一发现有望为从理论上解释纳米气泡的存在提供一个垫脚石。人们还相信,这将有助于微气泡水工业应用中与气泡尺寸控制相关的技术创新。
该研究成果发表在美国物理学会期刊《化学物理杂志》(2022年12月28日)上。
词汇表
*1 微气泡:直径为1~100微米的气泡。又称细泡。(1 微米 = 1/1000 毫米)
*2 纳米气泡:直径小于 1 微米的气泡。也称为超细气泡。
*3 奥斯特瓦尔德熟化:当饱和晶体溶液中有许多晶体颗粒时,小颗粒变得更小,大颗粒变得更大的现象。在水、合金体系等中的油滴中也观察到类似的现象。
*4 径向速度:气泡半径变化的速度。扩张时变为正值,收缩时变为负值。
*5 扩散速率控制:扩散在动力学中是最慢的,扩散成为减慢动力学的瓶颈。