นาโนบับเบิลคือโพรงหรือฟอง อากาศขนาดเล็กที่มีก๊าซอยู่ภายใน ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าไมโครเมตร ในสารละลายในน้ำโดยมีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่เกิดจากแรงดันภายในสูง ขนาดเล็ก และประจุบนพื้นผิว^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} โดยทั่วไปนาโนบับเบิลจะมี ขนาดระหว่าง 70 ถึง 150 นาโนเมตร^{[ 5 ] [ 6 ]}และมีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 200 นาโนเมตร^{[ 7 ] [ 8 ]}และเป็นที่รู้จักกันดีในเรื่องอายุการใช้งานที่ยาวนานและความเสถียรแรงลอยตัวต่ำประจุลบที่พื้นผิว พื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูง แรงดันภายในสูง และอัตราการถ่ายเทก๊าซสูง^{[ 4 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

นาโนบับเบิลสามารถเกิดขึ้นได้โดยการฉีดก๊าซใดๆ เข้าไปในของเหลว^{[ 12 ] [ 13 ]}เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัว นาโนบับเบิลจึงสามารถโต้ตอบและส่งผลกระทบต่อกระบวนการทางกายภาพ เคมี และชีวภาพได้^{[ 14 ]}นาโนบับเบิลถูกนำไปใช้ในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น น้ำเสียวิศวกรรมสิ่งแวดล้อมการเกษตร การเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ การแพทย์และชีวการแพทย์ และอื่นๆ^{[ 9 ] [ 15 ] [ 16 ]}

นาโนบับเบิลมีขนาดเล็กมากจนโดยทั่วไปไม่สามารถสังเกตได้ด้วยตาเปล่าหรือกล้องจุลทรรศน์ มาตรฐาน แต่สามารถสังเกตได้โดยใช้การกระเจิงของแสงโดยใช้เครื่องมือต่างๆ เช่นเลเซอร์พอยเตอร์ สี เขียว^{[ 14 ]}นาโนบับเบิลที่มีความเสถียรในปริมาณมากที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 30-400 นาโนเมตรได้รับการรายงานครั้งแรกในวารสารวิทยาศาสตร์Nature ของอังกฤษ ในปี 1982 ^{[ 14 ]}นักวิทยาศาสตร์พบพวกมันในบริเวณน้ำลึกโดยใช้การสังเกตด้วยโซนาร์^{[ 14 ]}

ในปี พ.ศ. 2537 การศึกษาโดย Phil Attard, John L. Parker และ Per M. Claesson ได้เสนอทฤษฎีเพิ่มเติมเกี่ยวกับการมีอยู่ของฟองอากาศขนาดนาโน โดยเสนอว่าฟองอากาศขนาดนาโนที่เสถียรสามารถก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของทั้งพื้นผิวที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำได้ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ระดับความอิ่มตัวและแรงตึงผิว^{[ 17 ]}

สามารถสร้างนาโนบับเบิลได้โดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การเกิดโพรงอากาศแบบไฮโดรไดนามิก การแลกเปลี่ยน ตัวทำละลาย ปฏิกิริยา ทางเคมีไฟฟ้าและการจุ่ม พื้นผิว ที่ไม่ชอบน้ำลงในน้ำในขณะที่เพิ่มหรือลดอุณหภูมิของน้ำ^{[ 15 ]}

นาโนบับเบิลและนาโนอนุภาคมักพบร่วมกันในบางสถานการณ์^{[ 18 ]}แต่มีความแตกต่างกันตรงที่นาโนอนุภาคมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เช่น ความหนาแน่นและความถี่เรโซแนนซ์^{[ 19 ] [ 20 ]}

การศึกษาเกี่ยวกับนาโนบับเบิลเผชิญกับความท้าทายในการทำความเข้าใจเสถียรภาพและกลไกเบื้องหลังการก่อตัวและการสลายตัวของนาโนบับเบิล^{[ 21 ]}

มีทฤษฎีหนึ่งที่สร้างขึ้นโดย Andrei Dukhin และ Ren Xu ^{[ 22 ]}ซึ่งอธิบายการมีอยู่ของนาโนบับเบิลที่เสถียรอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นน้ำที่ส่วนต่อประสานที่มีโครงสร้างและชั้นไฟฟ้าคู่

สมมติฐานเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุลน้ำที่ส่วนต่อประสานแบบไม่ชอบน้ำมีมานานกว่าศตวรรษ โดยมีเอกสารหลายสิบฉบับที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับเรื่องนี้ ซึ่งบางส่วนได้รับการทบทวนในหนังสือเล่มนี้^{[ 23 ]}ได้รับการยืนยันด้วยเทคนิคการวัดหลายวิธี ได้แก่ กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม^{[ 24 ]}สเปกโทรสโกปีการสร้างความถี่รวม^{[ 25 ]}สเปกโทรสโกปีรามาน^{[ 26 ]}อัลตราซาวนด์^{[ 27 ]}

นอกจากนี้ยังมีงานวิจัยจำนวนมากที่เปิดเผยประจุไฟฟ้าบนอินเทอร์เฟซของนาโนบับเบิล ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของชั้นไฟฟ้าคู่ที่มีลักษณะเฉพาะด้วยศักย์ซีตา (ζ) ที่แน่นอน เราได้นำผลลัพธ์จากงานวิจัยของ Meegoda et al. ^{[ 28 ]} มาแสดงซ้ำที่นี่ (ดูรูปทางด้านขวา) เนื่องจากแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางของฟองและศักย์ซีตา ซึ่งพิสูจน์ถึงความสำคัญของพารามิเตอร์นี้ เส้นสีแดงแสดงถึงผลลัพธ์ของทฤษฎี^{[ 22 ]}

โดยลำพังแล้ว ชั้นเชื่อมต่อระหว่างพื้นผิวทั้งสองนี้ไม่สามารถอธิบายอายุการใช้งานของนาโนบับเบิลได้ อย่างไรก็ตาม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นเหล่านี้สามารถทำได้ ดังที่แสดงไว้ในเอกสาร^{[ 22 ]}ปฏิสัมพันธ์นี้ทำให้เกิดแรงพื้นผิวใหม่สองแรง

แรงปฏิกิริยาตั้งฉากเกิดจากสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอของชั้นไฟฟ้าคู่(EDL)ที่กระทำต่อโมเมนต์ไดโพลของโมเลกุลน้ำที่เรียงตัวกัน แรงนี้ได้รับการตั้งชื่อว่า ได อิเล็กโทร สแตติก (dielectrostatic ) ปรากฏว่ามันชดเชยแรงปฏิกิริยาตั้งฉากอีกแรงหนึ่งที่เกิดจากแรงดันเกินของยัง-ลาปลาซ (Young-Laplace) ในฟองอากาศ ความสมดุลของแรงปฏิกิริยาตั้งฉากทั้งสองนี้เป็นตัวกำหนดขนาดของนาโนบับเบิที่ เสถียร ตามสมการต่อไปนี้:

${\displaystyle \ a_{s}={\frac {2\gamma }{MLNd_{w}\zeta \kappa ^{2}}}}$

โดยที่M = 55500 คือจำนวนโมลของน้ำใน 1 ^m³ , N คือเลขอะโวกาโด , d คือโมเมนต์ไดโพลของโมเลกุลน้ำ , ζคือศักย์ซีตาของฟองอากาศ , κคือส่วนกลับ ของ ความยาวเดบายพารามิเตอร์Lคือความหนาของชั้นน้ำที่มีโครงสร้าง ซึ่งมีค่าประมาณ 0.24 นาโนเมตรสำหรับชั้นเดียว การสมมติว่ามีโมเลกุลน้ำที่มีโครงสร้างสองชั้นนำไปสู่ขนาดที่เสถียรของนาโนบับเบิลที่ 250 นาโนเมตร ดังแสดงในรูปด้านบนเป็นเส้นสีแดง สิ่งนี้สามารถถือได้ว่าเป็นหลักฐานเชิงทดลองที่สนับสนุนทฤษฎีนี้ นอกจากนี้ยังมีข้อเท็จจริงเชิงทดลองอีกประการหนึ่งที่สนับสนุนความถูกต้องของทฤษฎีนี้ ขนาดของนาโนบับเบิลแปรผกผันกับศักย์ซีตาตามรูปด้านบน ความสัมพันธ์เดียวกันนี้ได้รับการทำนายโดยทฤษฎีตามสมการสำหรับขนาดที่เสถียรของนาโนบับเบิล

สมดุลของแรงสัมผัสเกิดขึ้นเนื่องจากแรงสัมผัสพื้นผิวเพิ่มเติม - การผลักกันของโมเมนต์ไดโพลของโมเลกุลน้ำที่จัดเรียงตัว มันแข่งขันกับแรงตึงผิวแบบคลาสสิก การมีส่วนร่วมของมันต่อแรงตึงผิวทั้งหมดจะได้รับจากสมการต่อไปนี้^{[ 29 ]}

${\displaystyle {\gamma _{s}}={\frac {2d_{w}}{\pi \varepsilon \varepsilon _{0}L_{d}^{5}}}}$

โดยที่εและε คือค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของของเหลวและสุญญากาศL คือระยะห่างระหว่างไดโพลในชั้นโครงสร้าง มีการแสดงให้เห็นในเอกสาร^{[ 29 ]}ว่าแรงพื้นผิวใหม่นี้เพียงพอที่จะชดเชยแรงตึงผิวแบบคลาสสิกได้หากระยะห่างระหว่างไดโพลคือ 0.23 นาโนเมตร ตัวเลขนี้ดูเหมือนจะเป็นตัวเลขที่สมจริงเมื่อพิจารณาว่าระยะห่างระหว่างโมเลกุลของน้ำในปริมาณมากคือ 0.3 นาโนเมตร และไดโพลจะถูกบีบอัดเข้าหากันด้วยแรงตึงผิวแบบคลาสสิก

1. ขนาดของนาโนบับเบิลที่วัดได้จากการทดลองสอดคล้องกับขนาดที่ทำนายไว้ตามทฤษฎี

2. ความสัมพันธ์เชิงเส้นผกผันที่สังเกตได้จากการทดลองระหว่างขนาดของนาโนบับเบิลและศักย์ซีตา สอดคล้องกับการคาดการณ์ทางทฤษฎี

3. นาโนบับเบิลที่สร้างขึ้นในของเหลวที่มีขั้วต่ำกว่าน้ำจะมีความเสถียรน้อยกว่าและมีขนาดใหญ่กว่ามาก^{[ 30 ]}ซึ่งสนับสนุนบทบาทสำคัญของโมเมนต์ไดโพลของโมเลกุลของเหลว

นาโนบับเบิลมีคุณสมบัติที่โดดเด่นหลายประการ:

• ความเสถียร: นาโนบับเบิลมีความเสถียรมากกว่าบับเบิลขนาดใหญ่เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น ประจุบนพื้นผิวและสารปนเปื้อนที่ลดแรงตึงผิว ทำให้สามารถคงอยู่ในของเหลวได้นานขึ้น^{[ 21 ] [ 31 ]}
• แรงดันภายในสูง: ขนาดที่เล็กของนาโนบับเบิลนำไปสู่แรงดันภายในสูง ซึ่งส่งผลต่อพฤติกรรมและการโต้ตอบกับของเหลวโดยรอบ^{[ 21 ]}
• อัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรสูง: คุณสมบัตินี้มีความสำคัญต่อการถ่ายโอนก๊าซอย่างมีประสิทธิภาพระหว่างนาโนบับเบิลและของเหลว ซึ่งเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานต่างๆ^{[ 21 ]}

ในการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำนาโนบับเบิลถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงสุขภาพและอัตราการเจริญเติบโตของปลา^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}และเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกซิเดชัน^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}นาโนบับเบิลสามารถปรับปรุงผลลัพธ์ด้านสุขภาพของปลาได้โดยการเพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจนที่ละลายในน้ำ^{[ 32 ]}ลดความเข้มข้นของแบคทีเรียและไวรัสในน้ำ^{[ 33 ]}และกระตุ้นระบบป้องกันที่ไม่จำเพาะของสายพันธุ์ เช่น ปลานิลทำให้มีอัตราการรอดชีวิตที่ดีขึ้นระหว่างการติดเชื้อแบคทีเรีย^{[ 38 ]}การใช้นาโนบับเบิลเพื่อเพิ่มระดับออกซิเจนที่ละลายในน้ำยังสามารถส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืชและลดความจำเป็นในการใช้สารเคมี^{[ 39 ]}นอกจากนี้ยังพบว่านาโนบับเบิลมีประสิทธิภาพในการเพิ่มการเผาผลาญของสิ่งมีชีวิตรวมถึงพืช^{[ 37 ]}ในส่วนของการออกซิเดชัน นาโนบับเบิลเป็นที่รู้จักกันดีในการสร้างอนุมูลออกซิเจนทำให้มีคุณสมบัติในการออกซิเดชันที่เหนือกว่าไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์^{[ 36 ]}นักวิจัยยังได้เสนอให้ใช้นาโนบับเบิลเป็นทางเลือกที่มีสารเคมีน้อยกว่าสารออกซิแดนต์ที่มีสารเคมี เช่น คลอรีนและโอโซน^{[ 37 ] [ 38 ]}

นาโนบับเบิลได้รับการศึกษาในฐานะเทคโนโลยีการเติมอากาศสำหรับการบำบัดน้ำและน้ำเสีย โดยประสิทธิภาพการถ่ายโอนก๊าซสูงและระยะเวลาการคงอยู่ที่ยาวนานสามารถปรับปรุงการใช้ประโยชน์จากออกซิเจนได้เมื่อเทียบกับการเติมอากาศแบบกระจายทั่วไป^{[ 40 ] [ 41 ]}นาโนบับเบิลจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการกำจัดสารมลพิษอินทรีย์ผ่านการสร้างออกซิเจนชนิดออกฤทธิ์^{[ 42 ]}และนาโนบับเบิลโอโซนโดยเฉพาะอย่างยิ่งถูกนำมาใช้ในการฆ่าเชื้อและการออกซิเดชันของสารอินทรีย์ที่ดื้อต่อการกำจัด^{[ 43 ] [ 44 ]}

ในกระบวนการแปรรูปแร่ นาโนบับเบิลสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเก็บรวบรวมรองที่ยึดติดกับพื้นผิวอนุภาคที่ไม่ชอบน้ำและลดเวลาเหนี่ยวนำสำหรับการยึดติดของฟองกับอนุภาคในระหว่างการลอยตัวของฟองอากาศการศึกษาในห้องปฏิบัติการและการศึกษานำร่องได้รายงานการปรับปรุงการกู้คืนสำหรับอนุภาคแร่ละเอียดและละเอียดมากเมื่อมีการนำนาโนบับเบิลมาใช้ร่วมกับฟองลอยตัวแบบดั้งเดิม^{[ 45 ] [ 46 ]}

น้ำที่มีนาโนบับเบิลได้รับการศึกษาเพื่อใช้ในการทำความสะอาดพื้นผิวและการกำจัดคราบสกปรก รวมถึงการบรรเทาคราบสกปรกของเมมเบรนและการกำจัดไบโอฟิล์มออกจากพื้นผิวของแข็ง การยุบตัวของไมโครบับเบิลในสารแขวนลอยนาโนบับเบิลโดยรอบสามารถสร้างอนุมูลไฮดรอกซิลและแรงเฉือนเฉพาะที่ซึ่งทำลายสารปนเปื้อนที่เกาะติดอยู่^{[ 47 ]}