多因素作用下表面纳米气泡成核及生长动力学过程的实验及机理研究

The nucleation and growth of nanobubbles on solid surfaces is a complex physical and mechanical phenomenon at the interface, which is influenced by various external conditions. In view of insufficient efforts has been devoted to study the nucleation and growth dynamics, this project attempts to carry out a systematical investigation of the formation of surface nanobubbles during the exchange of aqueous solvents. Firstly, we study the nanobubble formation process under various conditions and the effects of mixing flow pattern, shear force on the surface, surface wettability and wetting hysteresis on the dynamic nucleation and growth process will be identified. Secondly, we perform molecular dynamics simulations of nanobubble formation on solid surfaces and provide explanations for the experimental results. Finally, we develop theoretical models for surface nanobubble nucleation and growth based on experimental and molecular dynamics simulation results. The key findings of this project will not only provide new explications for novel properties of surface nanobubbles such as superstability and large contact angle, but also offer meaningful guidance for application of surface nanobubbles in relevant fields.

纳米气泡在固体表面的成核、生长过程是一个复杂的界面物理力学过程，受许多外界因素的影响。本项目针对现有表面纳米气泡成核和生长过程研究的不足，以水溶液替换下产生的表面纳米气泡为研究对象，开展如下系统的实验和机理研究：首先，通过对多影响因素下表面纳米气泡的形成过程进行系统实验研究，揭示流体混合流场、流体对表面的剪切力、表面润湿性和润湿滞后对表面纳米气泡的成核及生长动力学过程的影响规律；其次，采用分子动力学模拟纳米气泡在固体表面的形成过程，对实验结果给予机理解释；最后，基于实验和模拟结果建立考虑多因素联合作用下的表面纳米气泡成核理论及生长动力学模型。通过本项目研究，期望能为深入理解表面纳米气泡奇异特性（例如长期稳定性和超大接触角）提供新思路，同时也为表面纳米气泡在相关领域的应用提供指导。

表面纳米气泡特指浸没在水溶液中的固体表面上形成的球冠状气室。由于自然界的许多物理、化学和生物过程均发生在固-液界面，表面纳米气泡在微流减阻、微细矿物颗粒分离、污水处理、油水分离等技术领域有着重要的应用前景。尽管相关研究已开展近30年，但对表面纳米气泡的动力学行为及其界面力学特征的了解还不够深入。本项目针对现有研究不足，对表面纳米气泡的短期形成过程和长期溶解过程开展了系统的实验研究，揭示了纳米气泡的动力学行为特征及外界因素（流体流速、表面润湿性、表面粗糙度等）对其的影响规律，并通过分子动力学模拟探讨了相关物理机制；实验测定了气-液界面的刚度，并基于界面能量分析和界面力学分析建立了描述刚度尺寸效应的理论模型；精确测量了固-液-气三相接触线线张力，从表面热力学角度解释了其符号反转现象。项目研究成果既为理解表面纳米气泡长期稳定性和宏观液滴动力学行为提供了新思路，同时也为控制表面纳米气泡的产生和不同纳米物质物相的区分提供了新方案。