为了研究纳米气泡接触角小于其宏观接触角这一问题，通过分析醇-水替换前后在高序热解石墨表面上测量得到的力-距离曲线，验证界面气体富集与纳米气泡共存的现象。结合Das提出的杂质与接触角的关系模型，讨论杂质对纳米气泡接触角的影响。根据改进的Young方程分析了线张力降低纳米气泡接触角的机理。结果表明：纳米气泡接触角受界面气体富集、杂质及线张力的影响，纳米气泡接触角小于其宏观接触角是三者共同作用的结果。

纳米气泡是固-液界面上形成的直径或高度为纳米尺度的气泡。近二十年来，纳米气泡引起越来越多学者的关注，已经成为表面科学领域的研究热点之一。纳米气泡的特征、形成方法、影响因素及潜在应用等已经被广泛且较深入的研究。纳米气泡的稳定性及导致其反常小的接触角(气相)的原因仍然是未解决的问题。为此，笔者对固-液界面纳米气泡的接触角进行研究。纳米气泡接触角的影响分析。实验研究发现，纳米气泡的接触角远小于其宏观接触角，文中纳米气泡的接触角是指其气相接触角。如图1所示，对于聚苯乙烯表面，宏观液滴的液相接触角约为95°，其气相接触角则约为75°，实验中聚苯乙烯表面上纳米气泡的接触角约为2.2°～31.0°，远远小于其宏观接触角。根据拉普拉斯公式，气泡内外的压力差为

Δp=2ylg/Rc，

式中：ylg——气-液界面的表面张力；

Rc——曲率半径。

如果两个气泡的接触线直径相同，较小的气相接触角则意味着具有较大的曲率半径，进而较小的内部压力，具有较长的寿命。可见，研究纳米气泡这种‘反常小’的接触角有助于纳米气泡获得更长的寿命，即纳米气泡的小接触角促进了纳米气泡的稳定性。此外，研究发现，固-液界面上的气体可以增大滑移长度，减小流体流动阻力,这已经在最新研究中得到证明。研究还发现，纳米气泡的形貌会影响减阻的效果，使纳米气泡不总是有利于流体流动。当接触角较大时甚至会产生负滑移，即增大了流体流动阻力。因此，研究纳米气泡的接触角也有助于深入研究纳米气泡与流体流动阻力的关系，促进纳米气泡在滑移减阻方面的应用。

纳米气泡接触角小于其宏观接触角这个问题引起了许多学者的关注，Ducker在研究纳米气泡稳定性时提出液体中的杂质可能被吸附在纳米气泡表面上，使气-液界面的表面张力降低，进而降低纳米气泡的接触角。Das建立了杂质与纳米气泡接触角的关系模型，分析并证实了Ducker的观点，即纳米气泡气-液界面上吸附杂质后可以使纳米气泡的接触角降低，但其仿真结果仍高于实验中纳米气泡接触角的测量值。纳米气泡是一种软物质，AFM成像时探针-气泡的相互作用会使纳米气泡高度的测量值小于其真实值，即利用AFM扫描图像时，探针-气泡的相互作用确实会影响纳米气泡的接触角。那么，这是否是导致纳米气泡接触角小于其宏观接触角的原因呢？近期，Peak-force AFM研究结果否定了这种猜测。文中从界面气体富集(Interfacial gas enrichment,IGE)、杂质及线张力这几个因素对纳米气泡接触角的影响进行分析，探求纳米气泡接触角“反常小”的原因。

图1纳米气泡的气相及其宏观接触角

1实验仪器与试剂

1.1原子力显微镜

所采用的原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)为NT-MDT公司的NTEGRA platform系统(NT-MDT Company,Zelenograd,Moscow)。探针为矩形探针(CSG30,NT-MDT Company)，标称刚度，N/m探针针尖在使用前先后用乙醇、丙酮及超纯水超声清洗。在纳米气泡成像实验中，采用的set-point值为95%，扫描频率为1 Hz。实验温度为室温25，实验前擦拭液体槽、玻璃支架和弹簧夹等，然后依次用乙醇和超纯水进行冲洗。

1.2实验试剂

水为超纯水(18.2 MΩ·cm)，通过Milli-QA10系统获得。为了保证水中的气体溶解度，实验中的用水需要提前用洁净的烧杯取超纯水80 mL在空气中平衡12 h，所用的乙醇也采用同样的方法处理。实验中用的丙酮和乙醇为优级醇。