气泡是指液体内充满气体的空穴，产生气泡的基本条件是液体内气泡内压不小于环境压力。纳米气泡是液体中充满气体的微小空腔，在纳米技术领域，一般习惯把100nm以下作为纳米颗粒的最大尺度，但是纳米气泡直径一般是大于100nm，气泡研究领域一般把1000nm以下作为纳米气泡或微纳米气泡。
这种本来被认为几乎不可能存在的小尺度气泡，却可以长期稳定存在，被工业尤其是水处理领域重视，纳米气泡已经完成从开始广泛受质疑到广泛受重视的转变[1]。
01
什么是体相纳米气泡？
根据气泡粒径的不同可以分为宏观气泡、微气泡和纳米气泡。根据纳米气泡在液体中所处的环境和物理特性可以分为界面纳米气泡和体相纳米气泡：
界面纳米气泡是非球形界面纳米气泡，是固定分布在液体和固体界面上的气泡，而体相纳米气泡，就是悬浮在液体中的球形纳米气泡[2]。
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[3]。
02
体相纳米气泡物性参数的
几种测试计算方法？
动态光散射
动态光散射（DLS），也称光子相关光谱法，在DLS的范围内，通常通过强度或光子自相关函数分析时间波动，用以测试体相纳米气泡的粒径。
电化学法
通过将成核信号转化为电流信号，结合膜片钳放大器技术成功追踪了纳米气泡的成核过程。
成像可视化
可视成像类包括使用探针进行扫描的侵入手段以及光学成像的非侵入测试手段，为纳米气泡的成核、生长、合并、溶解等过程提供了可视化的直接证据。
模拟计算方法
分子动力学模拟、有限元模拟、VOF多相流模型、耗散粒子动力学、密度泛函等方法也被用于研究纳米气泡的特性，如传质过程、运动、稳定机制等。
目前很难有一种理论能够对它的边界层水含量、气液界面特性、界面作用等给出完美解释。各类测试计算方法更多地形成技术互补，来共同解释体相纳米气泡边界层物化特性。
低场核磁法在得到气泡直径的条件下，可以计算得到边界层厚度，从而进一步计算边界层水的比例以及核磁弛豫时间，定量的表征纳米气泡边界层运动受限的水含量、定性表征纳米气泡边界层运动受限的水与自由水的差异。对研究气液界面特性、界面相互作用，以及评价气泡发泡工艺等具有指导意义[4]。
03
低场核磁共振技术在体相纳米气泡
边界层厚度研究中的应用
体相纳米气泡在溶剂中存在气液界面，由于气液界面的相互作用，使得纳米气泡边界层的水被束缚，从而运动受限，降低运动能力。
低场核磁共振弛豫技术，是一种获取分子相互作用（物理信息）的技术，可以定性、定量的表征纳米气泡边界层运动受限的水，研究气液界面特性，评估界面作用。主要应用步骤如下：
01
对纯净水进行真空脱气，消除溶液中的氧气。
02
使用气泡发生器，利用加压释气法，制备氮气纳米气泡溶液。
03
通过动态光散色法，测得氮气纳米气泡的粒径分布。
04
通过核磁共振法，获得脱气纯净水和氮气纳米气泡溶液的核磁弛豫时间。
05
根据核磁平均弛豫时间与体弛豫时间、表面弛豫时间的基本公式，推导得到纳米气泡边界宽度与弛豫时间的拟合公式。
某样品测试结果如下：
低场核磁法测试体相纳米气泡，在得到气泡直径的条件下，可以计算得到边界层厚度，从而进一步计算边界层水的比例以及核磁弛豫时间，通过比较边界水的弛豫时间，可以了解气液界面特性，评估界面作用，在核磁弛豫时间表征中，边界水受到的作用力较强，导致其弛豫时间相比自由水低两个数量级。
参考文献
[4]Ruiyi Zhang, Ya Gao, Lan Chen, Guanglu Ge. Nanobubble boundary layer thickness quantified by solvent relaxation NMR，Journal of Colloid and Interface Science[J]. 609（2022）637-644.
单位：国家纳米科学中心 作者：张睿毅 高雅 陈岚 葛广路
本文作者信息
单位：纽迈分析 作者：刘成 杨翼 丁皓
低场核磁推荐设备：
纽迈低场核磁体相纳米气泡物性分析仪
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参考资料
[1]张敏敏,刘孟君,李娜,等.体相纳米气泡及其研究进展[J].净水技术, 2021, 40(2):14.
[2]Yamashita T, Ando K. Stability of gas supersaturation in water: Implication of the existence of bulk nanobubbles? APS Division of Fluid Dynamics Meeting Abstracts[J], 2014.
[3]Bu X, Zhou S, Tian X, et al. Effect of aging time, airflow rate, and nonionic surfactants on the surface tension of bulk nanobubbles water. Journal of Molecular Liquids[J], 2022:359.
[4]Ruiyi Zhang, Ya Gao, Lan Chen, Guanglu Ge. Nanobubble boundary layer thickness quantified by solvent relaxation NMR，Journal of Colloid and Interface Science[J]. 609（2022）637-644.
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