纳米气泡悬浮液在冻融循环下的热响应：实验与分子动力学模拟研究

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Thermal Response of Nanobubble Suspensions under Freeze–Thaw Cycles through Experiment and Molecular Dynamics Simulations

本研究通过实验与分子动力学模拟，探究乙醇-水混合物和盐水中纳米气泡的稳定性与热响应。发现乙醇通过氢键网络和增强的zeta电位有效稳定纳米气泡，快速冷却减缓浓度梯度变化，为实际应用提供指导。

　　

纳米气泡的热响应和溶质稳定性对其在食品保存和环境修复中的应用至关重要；本文通过实验和分子动力学模拟相结合的方法研究了这些特性。在两个冻融循环过程中，我们考察了纳米气泡的尺寸分布、数密度和ζ电位的特性。纳米气泡悬浮液是通过超声空化产生的，随后使用传统冷冻机或液氮进行冷冻处理。为了明确热和溶质因素对纳米气泡的影响，我们准备了乙醇-水混合物（乙醇体积分数分别为1%、3%、5%和10%）以及盐浓度为3.5%的盐水。纯水和盐水在两个循环后数密度和ζ电位均有所下降，而乙醇悬浮液中的纳米气泡则保持相对稳定。此外，与纯水和盐水中的缓慢冷却相比，快速冷却显著减缓了两个循环期间气泡浓度的下降。在电解质溶液的冷冻和解冻过程中，体系内部会形成浓度梯度，从而导致纳米气泡的形成和稳定性发生变化。实验测量结果结合分子动力学模拟表明，乙醇在气液界面上形成的增强ζ电位和氢键网络有助于提高乙醇-水混合物中纳米气泡的稳定性。这些发现为溶剂组成、热处理和界面结构之间的复杂相互作用提供了新的见解，为实际应用中纳米气泡的设计和控制提供了指导。