為了研究納米氣泡接觸角小於其宏觀接觸角這一問題，通過分析醇-水替換前後在高序熱解石墨表麵上測量得到的力-距離曲線，驗證界麵氣體富集與納米氣泡共存的現象。結合Das提出的雜質與接觸角的關係模型，討論雜質對納米氣泡接觸角的影響。根據改進的Young方程分析了線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麵氣體富集、雜質及線張力的影響，納米氣泡接觸角小於其宏觀接觸角是三者共同作用的結果。

納米氣泡是固-液界麵上形成的直徑或高度為納米尺度的氣泡。近二十年來，納米氣泡引起越來越多學者的關注，已經成為表麵科學領域的研究熱點之一。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題。為此，筆者對固-液界麵納米氣泡的接觸角進行研究。納米氣泡接觸角的影響分析。實驗研究發現，納米氣泡的接觸角遠小於其宏觀接觸角，文中納米氣泡的接觸角是指其氣相接觸角。如圖1所示，對於聚苯乙烯表麵，宏觀液滴的液相接觸角約為95°，其氣相接觸角則約為75°，實驗中聚苯乙烯表麵上納米氣泡的接觸角約為2.2°～31.0°，遠遠小於其宏觀接觸角。根據拉普拉斯公式，氣泡內外的壓力差為

Δp=2ylg/Rc，

式中：ylg——氣-液界麵的表麵張力；

Rc——曲率半徑。

如果兩個氣泡的接觸線直徑相同，較小的氣相接觸角則意味著具有較大的曲率半徑，進而較小的內部壓力，具有較長的壽命。可見，研究納米氣泡這種‘反常小’的接觸角有助於納米氣泡獲得更長的壽命，即納米氣泡的小接觸角促進了納米氣泡的穩定性。此外，研究發現，固-液界麵上的氣體可以增大滑移長度，減小流體流動阻力,這已經在最新研究中得到證明。研究還發現，納米氣泡的形貌會影響減阻的效果，使納米氣泡不總是有利於流體流動。當接觸角較大時甚至會產生負滑移，即增大了流體流動阻力。因此，研究納米氣泡的接觸角也有助於深入研究納米氣泡與流體流動阻力的關係，促進納米氣泡在滑移減阻方麵的應用。

納米氣泡接觸角小於其宏觀接觸角這個問題引起了許多學者的關注，Ducker在研究納米氣泡穩定性時提出液體中的雜質可能被吸附在納米氣泡表麵上，使氣-液界麵的表麵張力降低，進而降低納米氣泡的接觸角。Das建立了雜質與納米氣泡接觸角的關係模型，分析並證實了Ducker的觀點，即納米氣泡氣-液界麵上吸附雜質後可以使納米氣泡的接觸角降低，但其仿真結果仍高於實驗中納米氣泡接觸角的測量值。納米氣泡是一種軟物質，AFM成像時探針-氣泡的相互作用會使納米氣泡高度的測量值小於其真實值，即利用AFM掃描圖像時，探針-氣泡的相互作用確實會影響納米氣泡的接觸角。那麽，這是否是導致納米氣泡接觸角小於其宏觀接觸角的原因呢？近期，Peak-force AFM研究結果否定了這種猜測。文中從界麵氣體富集(Interfacial gas enrichment,IGE)、雜質及線張力這幾個因素對納米氣泡接觸角的影響進行分析，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接觸角

1實驗儀器與試劑

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係統(NT-MDT Company,Zelenograd,Moscow)。探針為矩形探針(CSG30,NT-MDT Company)，標稱剛度，N/m探針針尖在使用前先後用乙醇、丙酮及超純水超聲清洗。在納米氣泡成像實驗中，采用的set-point值為95%，掃描頻率為1 Hz。實驗溫度為室溫25，實驗前擦拭液體槽、玻璃支架和彈簧夾等，然後依次用乙醇和超純水進行衝洗。

1.2實驗試劑

水為超純水(18.2 MΩ·cm)，通過Milli-QA10係統獲得。為了保證水中的氣體溶解度，實驗中的用水需要提前用潔淨的燒杯取超純水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。實驗中用的丙酮和乙醇為優級醇。