纳米气泡，不容小觑的泡泡

□文/张立娟

说起气泡，大家可能会想到小朋友玩的肥皂泡。在阳光下，伴随着孩童的笑声，肥皂泡四处飘摇，绚丽多彩。气泡如此常见，我们在日常生活和大自然中经常能发现它们的身影。

碳酸饮料里面的二氧化碳气体，会在打开瓶盖的瞬间以气泡的形式喷涌而出。正在沸腾的开水，一串串大大小小的气泡从壶底冲到水表面，发出“滋滋”的声音。冬天的江河湖泊内，我们还经常能看到水结冰后被封在冰中的气泡。

这些我们肉眼可见的大气泡，研究者已经对它们的性质了解得比较透彻。根据经典的拉普拉斯方程，气泡越小，它们内部的压强就越大。如果尺寸足够小，它们的寿命将非常短，短到人们用常规方法无法检测的程度。那么，纳米级的气泡是否真的不能稳定存在呢？

令人惊奇的是，20 多年来，科学家不仅检测到了稳定的纳米气泡，并且发现了它们的许多特殊性质，如超长寿命、表面带电、比表面积大、特殊的生物学效应和传质效率高等。同时，它们在诸多领域表现出巨大的应用前景，如水处理、农业、清洗、生物医学、养生健康等。虽然有些应用机理并不清楚，但其出奇的效果不容忽视，具有极大的发展潜力。

纳米气泡领域的诞生

早在1950 年，爱泼斯坦-普莱塞特理论就预测了微米气泡的寿命在毫秒量级，纳米气泡的寿命则更短。所以很长时间以来，大家都认为纳米级的气泡根本无法稳定存在。

纳米气泡的提出、发现的历史过程（左）和2000年胡钧研究团队发表的国际上第一张纳米气泡原子力显微镜图像（右）

“纳米气泡”这一概念的提出，源于20 世纪80 年代的一个神奇现象：当时科学家在测量两个疏水界面之间的作用力时，发现存在一种神秘的疏水长程引力。这一谜题引导科学家猜测界面纳米气泡的存在。

历史追溯到1984 年前后，科研人员在测量浸在水中的两个疏水表面作用力的实验过程中，发现当两个表面相互靠近时，突然有一种吸引力将两个表面吸在一起，这种作用力远远大于经典的双电层作用力和经典胶体稳定性理论能作用的范围。

1994 年，瑞典科学家约翰·帕克大胆猜测，实验中出现的台阶作用力和疏水长程引力是表面纳米气泡导致的。但是，在1997 年，永格伦和埃里克森两位科学家根据亨利定律和扩散理论预测10～100 纳米的气泡寿命只有1～100 微秒，从而否定了这一猜测。

1996 年，中国科学院上海应用物理研究所胡钧研究团队在研究视紫红高分辨成像实验时，偶然发现在云母表面上产生了类似纳米气泡的图像。随后，在超纯的体系里，他们通过醇水替换法在云母和石墨表面上分别观察到了类似的图像。

2001 年的《化学与工程新闻》等都对此进行了评论，认为“纳米气泡的原子力显微镜直接成像对长久以来的一个科学之谜进行了探索和解释”。

这个科学之谜就是困扰科学家多年的“神秘疏水长程引力”。同时，这也证明了纳米级气泡在表面的稳定存在。随后，纳米气泡的产生、检测和稳定性机制解释成为国内外研究的热点。

纳米气泡的独特性质

经过20 多年的研究，科学家们已经发现纳米气泡具有独特的性质，例如超高稳定性。根据所处的环境条件和溶液状态，纳米气泡的寿命可以达到几个小时到几天不等，甚至数月。如此高的稳定性，可能和它们内部的特殊结构相关。2020 年，中国科学院上海高等研究院的胡钧、张立娟研究团队通过先进的同步辐射软X 射线谱学显微技术，发现纳米气泡内部可能是高密度的，根据气泡大小不同，内部密度比空气密度高1～2 个数量级。

纳米气泡的另外一个特性是表面带负电荷，并随溶液pH 值而改变。此外，纳米气泡因其尺寸小（小于1 微米，大部分尺寸在100 纳米左右），比表面积大，更有利于与物质接触，对于浮选、吸附、传质、化学反应等应用具有显著的优势，特别是对表面疏水的颗粒和污染物具有较强的吸附能力。

纳米气泡的广泛应用

由于上述这些奇特的性质，纳米气泡被广泛应用于多个领域。

纳米气泡能长时间稳定存在于水中，可以高效进行水底增氧。研究者通过直接将氧气纳米气泡输入水中，改变了传统清淤的高成本方式，在快速除臭的同时，进行原位底泥修复。

土壤、空气、水分和养分之间的平衡与供应，对作物高产潜力的发挥至关重要。在我国，水稻种植主要采用淹水灌溉方式，空气很难通过水层进入土壤中，而且水稻根系及土壤微生物的呼吸作用消耗了大量氧气，导致土壤中的氧浓度极低。长期的低氧环境不但会引起稻田还原性有毒物质的积累，从而影响作物的生长，而且还会影响氮素的转化过程及不同形态的比例，降低水稻对氮素的吸收利用。纳米气泡和微米气泡结合的增氧灌溉技术，可以显著提高水稻的产量。

在水产养殖方面，富含氧气的纳米气泡水养殖的鱼苗成活率高，鱼的产量高且营养物质含量高。

在蔬菜种植方面，纳米气泡的作用效果也非常明显，通过纳米气泡携带高浓度的氧气或其他气体，可以促进蔬菜种子的发芽和生长，并可用于花朵保鲜。

在超声显影方面，微米气泡作为超声显影剂的研究相对比较早，而最近的研究发现，纳米气泡的显影效率更高。

在药物输送和治疗方面，纳米气泡可用于抗癌药物传递，以提高化疗效果，也进而用于肿瘤细胞或生物组织的有效消融。纳米气泡还能够代替抗生素渗透到生物膜中，以缓解抗生素滥用产生的耐药性。

纳米气泡能改善植物的“有氧环境”

在养生健康方面，纳米气泡可以携带高浓度氧气或氢气进入人体内，具有消炎、抗氧化作用，从而辅助治疗和提高康复的效果。

纳米气泡的未解之谜

科研人员表示：虽然纳米气泡在很多领域的应用效果明显，但是相关的机制并不清晰。

一是纳米气泡稳定性理论机制还不明确。目前提出了很多理论和模型解释纳米气泡的超长寿命，这些机制包括表面电荷理论、污染物吸附和界面钉扎效应等，但都无法从根本上解释纳米气泡的稳定性。因为纳米气泡所处的液体环境各不相同，可能多种机制同时发挥作用，导致纳米气泡的超长寿命。

二是纳米气泡在相关应用领域的作用机理仍然不清楚。例如，在污水处理过程中，纳米气泡如何改善底泥、抑制厌氧细菌的生长等；在水稻种植过程中，纳米气泡怎样刺激种子发芽和根系发育，怎样促进氮元素的吸收以及提高植物抗逆性；在水产养殖中，纳米气泡如何促进鱼苗成活、提高鱼的产量和品质等。上述机制都有待系统研究。