為了研究納米氣泡接觸角小于其宏觀(guān)接觸角這一問(wèn)題，通過(guò)分析醇-水替換前后在高序熱解石墨表面上測量得到的力-距離曲線(xiàn)，驗證界面氣體富集與納米氣泡共存的現象。結合Das提出的雜質(zhì)與接觸角的關(guān)系模型，討論雜質(zhì)對納米氣泡接觸角的影響。根據改進(jìn)的Young方程分析了線(xiàn)張力降低納米氣泡接觸角的機理。結果表明：納米氣泡接觸角受界面氣體富集、雜質(zhì)及線(xiàn)張力的影響，納米氣泡接觸角小于其宏觀(guān)接觸角是三者共同作用的結果。

納米氣泡是固-液界面上形成的直徑或高度為納米尺度的氣泡。近二十年來(lái)，納米氣泡引起越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注，已經(jīng)成為表面科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。納米氣泡的特征、形成方法、影響因素及潛在應用等已經(jīng)被廣泛且較深入的研究。納米氣泡的穩定性及導致其反常小的接觸角(氣相)的原因仍然是未解決的問(wèn)題。為此，筆者對固-液界面納米氣泡的接觸角進(jìn)行研究。納米氣泡接觸角的影響分析。實(shí)驗研究發(fā)現，納米氣泡的接觸角遠小于其宏觀(guān)接觸角，文中納米氣泡的接觸角是指其氣相接觸角。如圖1所示，對于聚苯乙烯表面，宏觀(guān)液滴的液相接觸角約為95°，其氣相接觸角則約為75°，實(shí)驗中聚苯乙烯表面上納米氣泡的接觸角約為2.2°～31.0°，遠遠小于其宏觀(guān)接觸角。根據拉普拉斯公式，氣泡內外的壓力差為

Δp=2ylg/Rc，

式中：ylg——氣-液界面的表面張力；

Rc——曲率半徑。

如果兩個(gè)氣泡的接觸線(xiàn)直徑相同，較小的氣相接觸角則意味著(zhù)具有較大的曲率半徑，進(jìn)而較小的內部壓力，具有較長(cháng)的壽命?？梢?jiàn)，研究納米氣泡這種‘反常小’的接觸角有助于納米氣泡獲得更長(cháng)的壽命，即納米氣泡的小接觸角促進(jìn)了納米氣泡的穩定性。此外，研究發(fā)現，固-液界面上的氣體可以增大滑移長(cháng)度，減小流體流動(dòng)阻力,這已經(jīng)在最新研究中得到證明。研究還發(fā)現，納米氣泡的形貌會(huì )影響減阻的效果，使納米氣泡不總是有利于流體流動(dòng)。當接觸角較大時(shí)甚至會(huì )產(chǎn)生負滑移，即增大了流體流動(dòng)阻力。因此，研究納米氣泡的接觸角也有助于深入研究納米氣泡與流體流動(dòng)阻力的關(guān)系，促進(jìn)納米氣泡在滑移減阻方面的應用。

納米氣泡接觸角小于其宏觀(guān)接觸角這個(gè)問(wèn)題引起了許多學(xué)者的關(guān)注，Ducker在研究納米氣泡穩定性時(shí)提出液體中的雜質(zhì)可能被吸附在納米氣泡表面上，使氣-液界面的表面張力降低，進(jìn)而降低納米氣泡的接觸角。Das建立了雜質(zhì)與納米氣泡接觸角的關(guān)系模型，分析并證實(shí)了Ducker的觀(guān)點(diǎn)，即納米氣泡氣-液界面上吸附雜質(zhì)后可以使納米氣泡的接觸角降低，但其仿真結果仍高于實(shí)驗中納米氣泡接觸角的測量值。納米氣泡是一種軟物質(zhì)，AFM成像時(shí)探針-氣泡的相互作用會(huì )使納米氣泡高度的測量值小于其真實(shí)值，即利用AFM掃描圖像時(shí)，探針-氣泡的相互作用確實(shí)會(huì )影響納米氣泡的接觸角。那么，這是否是導致納米氣泡接觸角小于其宏觀(guān)接觸角的原因呢？近期，Peak-force AFM研究結果否定了這種猜測。文中從界面氣體富集(Interfacial gas enrichment,IGE)、雜質(zhì)及線(xiàn)張力這幾個(gè)因素對納米氣泡接觸角的影響進(jìn)行分析，探求納米氣泡接觸角“反常小”的原因。

圖1納米氣泡的氣相及其宏觀(guān)接觸角

1實(shí)驗儀器與試劑

1.1原子力顯微鏡

所采用的原子力顯微鏡(Atomic force microscopy,AFM)為NT-MDT公司的NTEGRA platform系統(NT-MDT Company,Zelenograd,Moscow)。探針為矩形探針(CSG30,NT-MDT Company)，標稱(chēng)剛度，N/m探針針尖在使用前先后用乙醇、丙酮及超純水超聲清洗。在納米氣泡成像實(shí)驗中，采用的set-point值為95%，掃描頻率為1 Hz。實(shí)驗溫度為室溫25，實(shí)驗前擦拭液體槽、玻璃支架和彈簧夾等，然后依次用乙醇和超純水進(jìn)行沖洗。

1.2實(shí)驗試劑

水為超純水(18.2 MΩ·cm)，通過(guò)Milli-QA10系統獲得。為了保證水中的氣體溶解度，實(shí)驗中的用水需要提前用潔凈的燒杯取超純水80 mL在空氣中平衡12 h，所用的乙醇也采用同樣的方法處理。實(shí)驗中用的丙酮和乙醇為優(yōu)級醇。