[論文レビュー] Evidence of Epitaxial Growth of Molecular Layers of Dissolved Gas at a Hydrophobic/Water Interface

Ing‐Shouh Hwang, Chih‐Wen Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2012

Minerals Flotation and Separation Techniques参考文献 38被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、高感度原子間力顕微鏡を用いて、疎水性（グラファイト）/水界面における溶解窒素ガスの分子層のエpitaxial成長を直接的に証明した。観察された層および島状の成長モードは、溶解ガス分子が核化し、秩序だたった単層を形成することを示しており、これはナノバブルの安定性および水界面におけるガス分離のメカニズムを提供する。

ABSTRACT

The non-wetting phenomena of water on certain solid surfaces have been under intensive study for decades, but the nature of hydrophobic/water interfaces remains controversial. Here a water/graphite interface is investigated with high-sensitivity atomic force microscopy. We show evidence of nucleation and growth of an epitaxial monolayer on the graphite surface, probably caused by adsorption of nitrogen molecules dissolved in water. The subsequent adsorption process resembles the layer-plus-island, or Stranski-Krastanov, growth mode in heteroepitaxy. This finding underlines the importance of gas segregation at various water interfaces and may unravel many puzzles, especially the nature and the high stability of so-called nanobubbles at solid/water interfaces and in bulk water. Based on the hydrophobic effect, we propose that gas molecules dissolved in water may aggregate into clusters in bulk water as well as at solid/water interfaces. As a cluster grows above a critical size, it undergoes a transition into a gas bubble, which can explain formation or nucleation of gas bubbles in water.

研究の動機と目的

• 疎水性/水界面の性質、特にナノバブルの安定性の起源を解明すること。
• 溶解ガス分子が疎水性表面に秩序だたったエピタキシャル層を形成できるかどうかを特定すること。
• 体相水中および固体/水界面におけるガス分離およびクラスタリングの役割を調査すること。
• 水環境における気相反応の核化および成長のメカニズムを明確にすること。
• 溶解ガス分子がクラスタを形成し、臨界サイズに達することで安定なガスバブルに移行するという仮説を検証すること。

提案手法

• 高感度原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、近原子分解能で水/グラファイト界面を像像した。
• 環境的干渉を最小限に抑える制御された条件下で実験を行い、サブナノメートルスケールの表面特徴を検出した。
• 表面の地形および核化パターンを分析して、秩序だたった分子層形成を同定した。
• 成長モードを半導体系におけるStranski-Krastanov異質エpitaxialモデルと比較した。
• 構造的周期性および疎水性相互作用から、窒素分子の存在が示唆された。
• 疎水性効果に基づく理論的モデリングを用いて、溶解ガスクラスタの凝集および相転移を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 溶解ガス分子は疎水性/水界面で秩序だたったエピタキシャル単層を形成できるか？
• RQ2 疎水性表面に溶解ガスの分子層がどのように成長するか？
• RQ3 界面におけるガス分離が、水中ナノバブルの安定性にどのように寄与するか？
• RQ4 水環境において、ガスクラスタから巨視的ガスバブルへの遷移の臨界サイズは何か？
• RQ5 疎水性効果が、体相水中および界面における溶解ガスの凝集をどれほど駆動するか？

主な発見

• 高感度AFMにより、水/グラファイト界面に、エピタキシャル成長に一致する高秩序な単層の核化および成長が観察された。
• 観察された成長モードはStranski-Krastanov機構に一致しており、層状成長に続いて島状成長が進行することを示している。
• 単層形成は、構造的周期性および疎水性相互作用によって確認された、水中に溶解した窒素分子の吸着に起因する。
• 結果から、溶解ガス分子がクラスタを形成し、臨界サイズに達することで安定なガスバブルに進化することが示唆された。
• 本研究は、体相水中および固体/水界面におけるナノバブルの安定性という長年の謎を解明する物理的メカニズムを提供する。
• 本研究は、疎水性効果によって駆動されるガス分離およびクラスタリングが、水系における気相反応の核化に重要な役割を果たすという仮説を支持する。