[论文解读] Surface nanobubbles: formation and universality of the contact angle

Joost H. Weijs, Jacobus Hendrikus Snoeijer+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2011

Minerals Flotation and Separation Techniques被引用 4

一句话总结

本研究通过Lennard-Jones三元体系的分子动力学模拟研究表面纳米气泡，发现其仅在气体溶解度较低且气-固相互作用较强时形成。纳米气泡依托于液-固界面预先形成的气层而存在，这一机制可从微观参数角度解释接触角的普遍性。然而，在平衡条件下，纳米气泡在1微秒内即发生溶解，表明实验中观察到的纳米气泡需由非平衡机制稳定。

ABSTRACT

We study surface nanobubbles using molecular dynamics simulation of ternary (gas, liquid, solid) systems of Lennard-Jones fluids. They form for sufficiently low gas solubility in the liquid, i.e., for large relative gas concentration. For strong enough gas-solid attraction, the surface nanobubble is sitting on a gas layer, which forms in between the liquid and the solid. This gas layer is the reason for the universality of the contact angle, which we calculate from the microscopic parameters. Under the present equilibrium conditions the nanobubbles dissolve within less of a microsecond, consistent with the view that the experimentally found nanobubbles are stabilized by a nonequilibrium mechanism.

研究动机与目标

• 研究三元Lennard-Jones流体体系中表面纳米气泡的形成机制。
• 确定气体溶解度和气-固相互作用强度在纳米气泡稳定性中的作用。
• 解释实验中观察到的表面纳米气泡接触角普遍性的原因。
• 评估平衡热力学条件是否能够维持纳米气泡，或是否需要非平衡效应。

提出的方法

• 对包含气相、液相和固相的三元Lennard-Jones体系进行分子动力学模拟。
• 系统性地改变气体溶解度和气-固相互作用强度，以探究纳米气泡的形成。
• 分析界面结构，识别液相与固相之间是否存在气层。
• 从微观界面参数计算接触角，以评估其普遍性。
• 评估在平衡条件下纳米气泡的寿命，以评估其稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Lennard-Jones三元体系中，表面纳米气泡在何种条件下形成？
• RQ2 液体中气体溶解度如何影响纳米气泡的形成与稳定性？
• RQ3 液-固界面处的气层在决定接触角方面起什么作用？
• RQ4 为何不同体系中表面纳米气泡的接触角均表现出普遍性？
• RQ5 表面纳米气泡能否在平衡热力学条件下保持稳定？

主要发现

• 仅当液体中气体溶解度足够低时，表面纳米气泡才会形成，对应于较高的相对气体浓度。
• 强气-固吸引力导致在液相与固相之间形成稳定的气层，该气层是纳米气泡形成的基础。
• 该气层的存在可解释接触角的普遍性，因其由微观界面参数决定。
• 接触角可由体系的微观参数计算得出，支持其普遍行为。
• 在平衡条件下，纳米气泡在1微秒内即发生溶解，表明实验中观察到的纳米气泡必须由非平衡机制稳定。