妈妈在家用小苏打洗菜的盆友，请高高举起你们的双手好吗？
怎么去除瓜果蔬菜上面的虫卵和病菌，是爸妈们永远的主题。用流水冲、用盐水泡、用各种菜果清洗液辅助清洗，近几年，还流行用起了小苏打……也许，你也在网络上看到了一种广告，用……气泡洗菜？
近些年来，新兴的微纳米气泡处理技术开始进入人们的视野。“传闻中的”微纳米气泡水不仅可以有效杀灭食物上的一些有害细菌，还能瓦解农药残留，这些理论有科学依据吗？
甚至可以用来洗狗子 | Youtube / Thera-Clean Microbubbles
在解开这个谜团之前，我们先来了解一下微纳米气泡吧。
比发丝直径还小的气泡
我们从尺寸上区分了普通气泡和微纳米气泡。在大多数的研究中，普通气泡定义为直径在100微米到10毫米之间的气泡，而尺寸在1纳米至50微米的微气泡和纳米气泡统称为微纳米气泡。
气泡尺寸大小比较 | 作者绘制
要知道，我们头发丝的平均直径有约90多微米，比发丝直径还小的微纳米气泡理论上是不能够用肉眼分辨的，但是当气泡数密度足够大时，含有微纳米气泡水的溶液呈乳白色，看上去彷佛可尔必思饮料一般。
微纳米气泡水与自来水对比 | 作者提供
微纳米气泡不仅在尺寸上与普通气泡有明显差别，它们的性质也与普通气泡有很大的不同。在水中，普通气泡会快速上升至液体表面，然后发生破裂。微纳米气泡的寿命则相对较长，微气泡在溶液中会发生塌陷皱缩成小气泡，直至破裂消失；纳米气泡则会持续稳定地存在于液体当中。
普通气泡和微纳米气泡的不同之处 | 参考文献[4]，作者汉化
微纳气泡发现史
有趣的是，在几十年前，科学家并不相信微纳米气泡的存在。
经典力学杨氏-拉普拉斯方程理论告诉我们，气泡在缩小的时候，气泡内部的压力也会逐渐增大，压力达到一定程度时就会导致气泡的破裂，整个过程气泡的存在时间很短暂，所以气泡是很难稳定存在的。另外，当时的科研辅助手段有限，科学家们无法观测到微纳米气泡。
理论不支持并且观测不到，这让早期科学家们对微纳气泡的存在持否定态度。
1950年开始，有了关于气泡寿命和气泡半径关系的预测理论。
先前，经典力学杨氏-拉普拉斯方程针对的对象是普通的宏观气泡，因此很难解释微纳。根据新的预测理论，在饱和溶液中的一个纳米气泡的寿命只有几毫秒。
1962年，科学家们第一次利用超声空化技术，产生了寿命5小时的微纳米气泡空穴。
1994年，纳米气泡的概念正式被提出，此时的微纳米气泡被用来解释两个物体之间的吸引力。
2000年开始，微纳米气泡的存在得到研究者的认可，研究者对其性质和更详细的研究相继展开。也就是在这时通过原子力显微镜观测到了表面微纳米气泡的第一张图像。
用原子力显微镜敲击模式成像的水中云母表面的纳米气泡 | Lou et al., 2000
经历了半个多世纪的研究后，在理论和实际观测的双重支持下，微纳米气泡终于拥有了姓名。
进入到21世纪，理论研究和技术设备都在进步，我们想知道关于微纳米气泡的更多性质。2010年，研究者首次通过冷冻扫描电子显微镜获得了微纳米气泡的图像，并获得了存在时间为2周的纳米气泡图像。这些证据充分表明了微纳米气泡寿命比普通气泡的寿命要长得多。
为什么微纳米气泡可以稳定存在几小时甚至几周的时间呢？2018年，研究者做出了解释——因为微纳米气泡表面携带有微弱的负电荷，使溶液中的微纳米气泡之间具有排斥阻力，从而促进了微纳米气泡的稳定，避免了微纳米气泡之间的聚结和破裂，从而也阻止了更大的气泡的形成。
发现了就要用起来
自微纳米气泡的存在得到确认后，微纳米气泡由于其独特的特性——尺寸小、寿命长、低浮力，高内压，以及其生成过程、物理化学和表面性质等，开始引起人们的研究兴趣。
2003年，研究者利用微纳米气泡的尺寸优势，将尺寸比较均匀的微纳米气泡与附体分子结合，产生纳米尺寸的超声造影剂。研究发现，与微纳米气泡结合的附体分子与和乳腺癌、卵巢癌等肿瘤中过度表达的肿瘤靶点有特异性的亲和力。通过与微纳米气泡结合获得的这种新型靶向超声造影剂，在肿瘤早期定量诊断和靶向治疗方面，具有潜在的应用前景。也就是从这时起，各种实验室规模的微纳米气泡研究开始了。
用纳米气泡作超声造影剂孵育的细胞图像 | 参考文献[2]
2016年，研究者通过实验证明了微纳米气泡水还可以用于提高种子的发芽率。在溶液的酸碱度达到一定值时，微纳米气泡变得不再稳定，从而发生破裂塌陷，在塌陷的瞬间微纳米气泡会产生活性氧化物种。单位体积的水中微纳米气泡的数量越多，产生活性氧化物种的含量越高。在相同的溶解氧浓度下，有研究者用蒸馏水、高密度纳米气泡水和低密度纳米气泡水重复进行了菠菜种子和胡萝卜种子萌发实验，结果两种纳米气泡水均能提高种子的发芽率，低密度气泡水效果最好，种子发芽率相较于蒸馏水来说提高了15个百分点。
除此之外，微纳米气泡还可应用于提升水质净化效率。大量的实验证据表明，气泡对颗粒的收集效率和浮选效率随气泡尺寸的减小而增加。在通过气泡对颗粒浮选的过程中，当气泡的尺寸从655微米减小到75微米时，气泡对颗粒的聚集效率整整提高了100倍，大大提高了水质净化效率。
不仅如此，微纳米气泡水还可用于水质的消毒。
微纳米气泡在崩塌产生活性氧化物种的同时还伴随有湍流的产生，二者为水质消毒和净化提供了巨大的潜力。有研究表明与传统的臭氧消毒相比，用同样含量的臭氧制备的微纳米气泡对大肠杆菌的消毒效果要好得多。在这个过程中，微纳米气泡坍塌产生的活性氧化物种和冲击波被认为是大肠菌群灭活的主要原因。
然而，实验室规模的研究表明，微纳米气泡的产生以及用于水消毒的成本仍然高于传统的氯化和臭氧处理。这也是微纳米气泡没有普及的主要原因之一。
未来，如果微纳米气泡水能够大规模普及，不仅洗菜洗碗能省下好多力气，这种绿色消毒技术也能对环境保护做出极大的贡献。
参考文献
[1]Agarwal, A., Ng, W.J. and Liu, Y. 2011. Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment. Chemosphere 84(9), 1175-1180.
[2]Yang, H., Cai, W., Xu, L., Lv, X., Qiao, Y., Li, P., Wu, H., Yang, Y., Zhang, L. and Duan, Y. 2015. Nanobubble-Affibody: Novel ultrasound contrast agents for targeted molecular ultrasound imaging of tumor. Biomaterials 37, 279-288.
[3]Khaled Abdella Ahmed, A.; Sun, C.; Hua, L.; Zhang, Z.; Zhang, Y.; Marhaba, T.; Zhang, W. 2018. Colloidal Properties of Air, Oxygen, and Nitrogen Nanobubbles in Water: Effects of Ionic Strength, Natural Organic Matters, and Surfactants. Environmental Engineering Science 35 (7), 720-727.
[4]Agarwal, A.; Ng, W. J.; Liu, Y. 2011. Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment. Chemosphere 84 (9), 1175-80.
作者：香香
编辑：悲催的铊宝宝 酥鱼
排版：洗碗
题图来源：《海绵宝宝》
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