[論文レビュー] Direct Measurement of the Surface Tension of Nanobubbles

Phil Attard|arXiv (Cornell University)|May 9, 2015

Minerals Flotation and Separation Techniques被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、原子間力顕微鏡（AFM）を用いてナノバブルの表面張力の最初の直接実験的測定が行われた。ナノバブルの変形を、接触線にピン留めされたフックの法則に従うばねとしてモデル化した。AFMの力曲線解析から得られた表面張力は0.04–0.05 N/mであり、飽和水の0.072 N/mよりも顕著に低い。これは、過飽和状態の溶液が界面張力を低下させ、ナノバブルの安定性を可能にするという熱力学的予測を確認するものである。

ABSTRACT

It is shown that when the nanobubble contact line is pinned to a penetrating tip the interface behaves like a Hookean spring with spring constant proportional to the nanobubble surface tension. Atomic force microscope (AFM) data for several nanobubbles and solutions are analysed and yield surface tensions in the range 0.04--0.05 N/m (compared to 0.072 N/m for saturated water), and supersaturation ratios in the range 2--5. These are the first direct measurements of the surface tension of a supersaturated air-water interface. The results are consistent with recent theories of nanobubble size and stability, and with computer simulations of the surface tension of a supersaturated solution.

研究の動機と目的

• ナノバブルの表面張力を、これまで理論的またはシミュレーションによって推定されてきたのみであったのを、直接測定すること。
• 長年の論争であったナノバブル安定性の問題を、過飽和状態の溶液で表面張力が低下することを実験的に検証することで解決すること。
• AFMにおけるナノバブルの機械的応答と過飽和空気-水界面の表面張力との間の定量的関係を確立すること。
• 過飽和状態が界面張力を低下させることを示す熱力学的およびシミュレーションベースの予測に対する実証的検証を提供すること。

提案手法

• AFMプローブの押し込みにおいて、ナノバブルを接触線にピン留めされたフックの法則に従うばねとしてモデル化し、力が表面張力と接触半径に比例するようにする。
• 微小力拡張理論を用いて、AFM力曲線のピン留め領域の傾きと表面張力との関係を関連付ける。
• ラプラス＝ヤングの式を用いて、半球形ナノバブルにおける内部圧力、半径、表面張力の関係を関係づける。
• 実験的AFM力曲線をフィッティングすることで、表面張力、接触半径、ピン留め線の下での過飽和比を抽出する。
• 力曲線の平衡領域を用いて、プローブの表面エネルギー差と接触角を推定するが、信頼性は低い。
• 不確実性を評価するため、異なるプローブ半径（例：10 nm と 50 nm）をテストし、より低い値が真の表面張力の上限を与える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過飽和水中のナノバブルの実際の表面張力は、AFMを用いて直接測定された値は何か？
• RQ2 過飽和空気-水界面の表面張力は、飽和界面のそれと比べてどの程度異なるか？
• RQ3 接触線のピン留めが、ナノバブルにおける機械的および拡散的平衡をどの程度可能にするか？
• RQ4 AFM力測定から、溶液の過飽和比を信頼性高く推定できるか？
• RQ5 過飽和度の変化に伴い、過飽和界面の表面張力はどのように変化するか？また、理論的モデルと整合性があるか？

主な発見

• ナノバブルの表面張力は直接測定され、0.04–0.05 N/mであった。これは飽和水の0.072 N/mよりも顕著に低い。
• 周囲の溶液の過飽和比は1.9から5.2の範囲で推定され、温度変化に伴う溶解度の変化と整合的であった。
• スピンodal過飽和比は3.6–10.8と推定され、Lennard-Jones流体のシミュレーションで観察されたオーダーと一致した。
• 解析により、ナノバブルの安定性は、表面張力が低下した過飽和状態の溶液でのみ熱力学的に成立することが確認された。
• 表面張力の値は、プローブ半径を10 nmと仮定した場合に最も信頼性が高く、真の表面張力の上限を与える。
• 一部のデータでは、平衡曲線からピン留め領域が開始しないことから、接触半径の変化の正確な特定が制限され、導出パラメータの信頼性が低下した。