無堅不摧的氣體之二：神乎其神的小氣泡

按物理學家的看法，這種納米小氣泡不應該存在，但它們偏偏存在；這還不算，它們的壽命長到足可讓觀察者失去耐心。而且，它們已經在很多領域大顯身手。

從遠處看，這似乎是一幅田園風光：一隻小船悠閑地蕩漾在湖面上，雙槳橫在其上，讓人不禁想起「野渡無人舟自橫」的詩句。岸邊，在遮陽篷下，一群遊客們正圍著一個大茶壺在忙碌著什麼。

但移近點看，事情就沒那麼美妙了。綠瑩瑩的湖面，惡臭撲鼻，湖裡了無生機，而這就是被譽為「中國魚米之鄉」的太湖在2007年前後的景象。由於數十年毫無顧忌的污水排放，又經歷了一場曠日持久的乾旱，那時太湖已經被大量繁殖的藍藻所窒息。

那群「遊客」其實是來自中國科學院的科學家們，為首的名叫潘剛。那個看似大茶壺一樣的東西，是一台機器。那條船並非為遊客而備，它通過一條軟管與岸邊的機器相連，把機器里產生的一種充滿泡沫的泥漿朝湖面上拋灑。通過這種辦法，他們正試圖讓太湖重現生機。

納米氣泡，生存還是破滅？

那充滿泡沫的泥漿有什麼魔力，竟能讓太湖起死回生？

原來在這項試驗中，起核心作用的是一種叫「納米氣泡」的東西。可是說來不可思議，物理學家至今對這種神奇小氣泡的存在還無法解釋哩。

這種小氣泡為何這麼神奇？

我們不妨先來看看一個氣泡要維持不破所需的條件。拿肥皂泡來說，它的氣泡壁是一層薄薄的水膜，泡內含有空氣，形成往外膨脹的氣壓，而氣泡壁又受著外面空氣朝內的壓力。當氣泡內的壓強恰好等於氣泡外的壓強與表面張力所形成的壓強之和時，氣泡才能穩定存在。但對於暴露在空氣中的肥皂泡，其壁太薄，氣泡內的氣體分子很容易透過水膜逃逸出去，造成裡面壓強逐漸下降了，降到一定程度，再也無法與外面的壓強抗衡，於是氣泡就破了。這種情況下，氣泡可以說是被「壓破」的。

反之，假如裡面的壓強過大，氣泡也一樣要破。比如一個氣泡從水下升至水表，外部的壓強降低，無法與內部的壓強抗衡，於是氣泡也要破裂。這種情況下，氣泡可以說是被「撐破」的。

因為要維持氣泡內外受力平衡的條件是如此脆弱，所以一般來說，氣泡的壽命都很短。小氣泡尤其如此。氣泡越小，表面張力就越大，氣泡內需要很高的壓強才能與之抗衡。當氣泡小到納米量級，所需要抗衡的液體表面張力升到如此之高，以至於氣泡還來不及形成就破裂了。所以，按物理學家的看法，納米小氣泡永遠不會存在。

納米氣泡，頗費猜詳

但有些蹊蹺的是，事情並非如此。1994年，一位瑞士化學家把兩塊不沾水的材料浸入水中，想測量一下它們表面之間的作用力。當讓兩塊材料平行靠近時，排斥力隨著距離的減小而增加。可是當兩者之間的距離只有幾百個納米時，這個排斥力突然下降了。這個現象當時弄得他莫名其妙。

直到幾年前，一位澳大利亞學者才給出了一個比較合理的解釋。他認為材料的表面可能分布著大量納米小氣泡，當兩表面接近時，氣泡和氣泡會有合并的傾向，因而在這一過程中會相互吸引，這就使得兩塊表面之間的排斥力驟然下降了。經過一番計算，這種小氣泡內部的壓強高達100個大氣壓，差不多是水下1千米深處所承受的壓強。

這聽起來幾乎是不可能的，但2001年，在掃描顯微鏡的幫助下，有科學家在浸入水中的一塊矽片上還真觀察到了一些半球形的納米小氣泡，它們就像蘑菇一樣附著在矽片表面。

但沒有人能夠解釋產生這種現象的原因。2011年，當一位荷蘭科學用原子力顯微鏡觀察納米氣泡時，發現了更奇怪的現象：由於納米氣泡內部驚人的高氣壓，氣體分子會很快逃逸出氣泡壁。但一個納米氣泡里頂多只有幾千個氣體分子，而每秒鐘逸出的氣體分子卻多達1億個，真是奇哉怪也！而且，以這樣快的速度喪失氣體，按理說，納米氣泡應該轉瞬即逝，但又一次出乎意料的是，它們能存在很長時間，你想觀察多久，它們就能存在多久。

這一切奇奇怪怪的事情真讓科學家不知所措。有人只好猜測，或許氣泡內的氣體不斷得到補充。但這種解釋也很成問題：要給氣壓如此之高的氣泡充氣，需要消耗能量，但能量來自何處？要是沒有能量來源，那就破壞了熱力學定律。

凈化水質，一試身手

但解釋不了納米氣泡存在的原因，並不妨害它的應用。自2006年起，中國科學院的潘剛就受當地政府的委託，負責嘗試用這項新發現去處理飽受污染的太湖水。

他的計劃很簡單：太湖水是因湖面藍藻之類的微生物大量繁殖，水表被隔絕了氧氣而「窒息」死的，因此只要把氧氣重新泵入湖中即可。但這件事用傳統的辦法處理是非常低效的，需要消耗大量的能量，而且大多數泵入水中的氧氣來不及溶解就會浮出水面，重新回到空氣中。

為解決這個棘手的問題，潘剛先把湖邊的泥土用水調配成泥漿，然後通氧氣；雖然大的氣泡也會旋即破裂，但在泥漿中，尺寸大約在10納米左右的氧氣小氣泡卻留存了下來；把這些泥漿拋灑到湖面上，湖面上的藍藻幾分鐘之內就會被泥漿拖著沉入湖底；泥漿里的氧氣泡就會溶解於水，可供水中的動植物使用；一旦有了魚類等水生動物，它們就可以湖面上的藍藻為食，幫助凈化水質，從而形成良性循環。這個過程能量利用率比較高，而且不會有新的污染。

試驗的效果不錯。僅用半個小時，在5000平方米的湖面上清理掉了整整1厘米厚的藍藻。第二天，作為藍藻代謝產物和湖水惡臭來源的污染物——氨水、硝酸鹽和磷肥的濃度都大為降低。四個月後，水下的植物和浮游生物開始重新繁茂起來。

納米氣泡，更廣闊的用途

但凈化水質還不是納米氣泡的唯一用途。

像油輪這樣常年在海上航行的大輪船，每年都要浪費巨量的燃料，因為像藤壺之類的生物會附著在船體上，使得輪船在水中航行更加吃力。所以，如果能找到一種簡單易行的「洗身」辦法，每年可替每艘輪船節約數百萬美元。

美國的一位科學家就找到了一個辦法。他把船體變成一個巨大的電極，只要通以微弱的電流，在船體上就會產生大量納米小氣泡；這些小氣泡將阻止海洋生物附著在船體上。實驗表明，這是可行的。雖然具體的細節至今依然沒有搞清楚，但其中能否產生納米氣泡是這項技術的關鍵。

同樣的辦法還可以用來清洗用於製造計算機晶元的硅晶。附著在硅晶表面的任何形式的污染物，像石英、鐵、或者鋁的粉塵等等，對於在其上需要蝕刻高精度電子線路的硅晶來說，都足以造成嚴重的缺陷。但粉塵污染在加工過程中又不可避免，傳統的清洗過程涉及很多道工序，並且清洗液會給環境帶來嚴重污染。

於是有人又想到了納米氣泡。通過讓硅晶表面形成納米氣泡，適當加熱，其表面的粉塵就會被氣泡托起並浮上來，從而被除去。傳統工藝需要半個小時才能完成的事情，新工藝僅需一分鐘即可，而且不需要使用有害的化學物質。

迄今對納米氣泡的應用最具爭議的是一種新型抗炎藥物。這種藥物已於2010年通過美國食品和藥品管理局批准，投入臨床試驗，並取得很好的療效，但其抗炎原理很是個謎。廠家聲稱，其療效很大一部分來自納米氧氣泡。按製造商的說法，一旦藥物分子中含有納米氧氣泡，它們的生物化學性質就會變得活潑起來，從而達到治病的效果。而在製造這種藥物的過程中，其中有一道重要工序就是設法讓納米氧氣泡附著到藥物分子的表面上去。

雖然許多科學家對此說法頗為懷疑，但在納米氣泡的眾多謎團尚未解開之前，也不敢貿然否定。倘若廠家的說法屬實，納米氣泡就越發神奇，未來的應用前景也就越廣闊了。

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