界面納米氣泡成核與穩(wěn)定性的分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、最近實驗發(fā)現(xiàn)將疏水固體浸入到溶有氣體的溶液中時，界面納米氣泡會在固體表面成核。這種極小的氣泡與其對應(yīng)的宏觀氣泡相比顯示出許多不同的特性，而且它對表面物理、化學(xué)、生物與化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域都有非常重要的作用。例如界面納米氣泡能夠降低納米流體的流動阻力，增加礦物浮選的回收率，去除表面污染物以及用于腫瘤成像的超聲波輻射技術(shù)等。實驗中，納米氣泡主要通過溶劑交換過程與電解法來制備。然而在氣泡的形成過程中會受到多種因素的影響，例如在溶劑交換過程中氣體的過飽

2、和度、溶劑交換速率、流體的剪切率等。因此實驗很難控制納米氣泡的形成與氣泡的成核過程。大量實驗和理論研究證明納米氣泡非常穩(wěn)定，并且接觸線錨定與過飽和度理論的提出也能夠較好的解釋氣泡穩(wěn)定性的原因。然而從熱力學(xué)來解釋氣泡穩(wěn)定的研究還不成熟，并且納米氣泡在各種影響因素下失去穩(wěn)定性的原因遠(yuǎn)沒有被人所理解。因此，本論文針對納米氣泡研究過程中存在的多種問題展開理論和模擬研究，主要內(nèi)容如下:
　　1.界面納米氣泡的曲率半徑與均相體系氣泡成核臨界核

3、半徑關(guān)系的研究。在這部分中，利用經(jīng)典成核理論與分子動力學(xué)模擬的方法研究了這一關(guān)系。首先利用簡單的幾何關(guān)系證明，可以利用分子動力學(xué)模擬的方法通過研究固體表面疏溶劑孔中形成的氣泡，進(jìn)一步可以獲得有關(guān)均相成核過程的信息。錨定納米氣泡的自由能隨氣泡體積的變化過程存在兩個極值點:一個對應(yīng)于自由能極大值點（“臨界核”），另一個對應(yīng)于自由能極小值點（亞穩(wěn)態(tài)的錨定納米氣泡），并且如果納米氣泡的表面張力與氣泡曲率無關(guān)，亞穩(wěn)態(tài)的表面納米氣泡的曲率半徑獨立于

4、錨定孔半徑且等于均相氣泡成核的臨界核半徑。同時理論分析進(jìn)一步表明可以利用一個有不同孔徑的表面來測量曲率相關(guān)的表面張力。
　　2.溶劑交換過程納米氣泡的成核機理。分子動力學(xué)模擬表明:溶劑交換過程可以分成兩個階段。在交換過程的第一階段，在具有不同氣體溶解度的兩種相互交換的溶劑之間存在一個液-液界面。這個界面會隨著交換過程的進(jìn)行逐漸朝固體基底移動。模擬顯示出氣體分子存在定向擴散且擴散逆向于氣體濃度梯度，這主要是由于氣體在可移動的溶劑-溶

5、劑界面兩邊的液體中具有不同的溶解度所引起的。正是由于這種定向擴散引起了氣體分子的滯留而使溶液在靠近基底附近的區(qū)域比遠(yuǎn)離基底附近的其它區(qū)域有了一個很高的局部氣體的過飽和度。在溶劑交換過程的第二階段，高的局部氣體過飽和導(dǎo)致了氣泡的在固體表面或者主體溶液中成核。同時我們發(fā)現(xiàn)不同的區(qū)域成核主要依賴于固體基底的親疏水性和氣體的局部過飽和程度。
　　3.電解過程納米氣泡的成核機理。分子動力學(xué)模擬表明:電解產(chǎn)生納米氣泡的過程中電極半徑和電解速率

6、對納米氣泡的形成具有明顯的影響，并且隨著電極半徑以及電解速率的增加氣泡成核的形式會從單核到多核的轉(zhuǎn)變。對于多個氣泡成核，在氣泡的生長過程中最終會合并成一個氣泡。所形成的氣泡都會經(jīng)歷對電極表面的部分覆蓋到全部覆蓋后來又回到部分覆蓋的過程。這一過程對應(yīng)于電解產(chǎn)生的氣體量在第一階段遠(yuǎn)大于擴散到環(huán)境中的量，從而引起氣泡的形成并且在電極表面上增長，導(dǎo)致電解的剩余面積減少。在第二階段，隨著剩余的電極面積達(dá)到最小，納米氣泡將減小。當(dāng)氣泡縮小到小于電極

7、半徑時，電解氣體產(chǎn)生量會與擴散到環(huán)境中的量達(dá)到一個動態(tài)平衡，從而形成一個動力學(xué)平衡條件下穩(wěn)定的納米氣泡。
　　4.表面活性劑的影響下納米氣泡失去穩(wěn)定性的分子機理。分子動力學(xué)模擬表明:存在兩種由表面活性劑誘導(dǎo)的納米氣泡失去穩(wěn)定性的分子機理:一種為三相接觸線去錨定，另一種則為降低氣-液界面張力。第一種分子機理的產(chǎn)生主要是由于表面活性劑大量吸附于固體基底表面，引起氣泡的三相接觸線去錨定從而導(dǎo)致納米氣泡失去穩(wěn)定性。第二種機理則是由于表面活