王兵团队在体相纳米气泡稳定机制研究上取得新进展

体相纳米气泡具有尺寸小、比表面积大、表面负载电荷等独特物理性质,其在工业清洁、物质转化、医学成像、医疗健康、污水治理以及农业生产等领域有广阔的应用前景,近年来备受学术界、工业界和医学界的关注。虽然纳米气泡在各个领域的应用取得快速进展,并且成效显著,但国际上始终没有一种理论能够对它的稳定性机制给出完美解释。bobapp体育官方下载航天bobapp体育官方下载王兵团队首次报道了几纳米至百纳米尺度体相纳米气泡的分子动力学模拟结果,揭示了气泡内部及气液界面特性,提出并检验了一种纳米气泡稳定性判据理论。

悬浮在液体中的纳米气泡始终处于布朗运动,其很多物性难以用实验手段直接探测,故对其稳定机制的解释尚缺乏共识。王兵研究团队在国家自然科学基金的支持下,采用分子动力学模拟的手段,统计揭示了不同尺寸体相纳米气泡的物性,包括气泡内密度、压强、表面电荷、表面分子结构,以及气体扩散特性等。在获得这些物性的基础上,研究团队进一步对纳米气泡涉及力学与电学效应的界面力平衡进行了静力学分析,对气泡内外气体互换扩散平衡进行了动力学分析,进而结合理论假设分析了其维持上述平衡状态的机制,从而提出了体相纳米气泡稳定性判据。

研究表明,体相纳米气泡内部气体处于高密度(数十kg m-3)状态;气泡界面负载双层电荷,其中内层为正电荷,外层为负电荷,表面电荷的静电斥力可以部分抵消气液界面的表面张力;气液界面处的氢键结构则遭到一定程度破坏或削弱,降低了界面的表面张力;上述特性皆有利于纳米气泡保持稳定。理论分析表明,稳定纳米气泡所处的悬浮液中,气泡约束的气体分子数量应大于溶解于液体中的自由气体分子数量的50%。此外,溶解气体的过饱和性应是纳米气泡的稳定维持的必要条件。本研究成果有助于推进体相纳米气泡的深度精准应用。

体相纳米气泡示意图及稳定性判据

9月28日,航院王兵研究团队在《朗缪尔》(Langmuir)发表上述研究成果,文章题目为“从分子动力学的角度理解体相纳米气泡的稳定性”(Understanding the Stabilization of a Bulk Nanobubble: A Molecular Dynamics Analysis),并作为当期杂志封面。该文通讯作者为航天bobapp体育官方下载长聘教授王兵,第一作者为其指导的博士生高瞻,作者还包括研究团队的孙卫涛副研究员和北京理工大学吴汪霞博士后。

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.1c01796