[論文レビュー] How Nanobubbles Nucleate at a Hydrophobic/Water Interface

Ing‐Shouh Hwang, Chung-Kai Fang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2015

Minerals Flotation and Separation Techniques参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、ナノバブルが疎水性/水界面で2段階のプロセスを経て核化することを明らかにした。まず、約0.3 nm 厚の薄い流動性の濡れ層が形成され、その後それが被膜型の界面ナノバブルに変化する。これらの流動領域の縁に整列した親水性領域が形成されることで界面張力が低下し、ナノバブルの高い安定性が保たれ、境界滑りおよび接触角ヒステリシスの役割が説明される。

ABSTRACT

Experimental investigations of hydrophobic/water interfaces often return controversial results, possibly due to the unknown role of gas accumulation at the interfaces. Here, during advanced atomic force microscopy of the initial evolution of gas-containing structures at a highly ordered pyrolytic graphite/water interface, a fluid phase first appeared as a circular wetting layer ~0.3 nm in thickness and was later transformed into a cap-shaped nanostructure (an interfacial nanobubble). Two-dimensional ordered domains were nucleated and grew over time outside or at the perimeter of the fluid regions, eventually confining growth of the fluid regions to the vertical direction. We determined that interfacial nanobubbles and fluid layers have very similar mechanical properties, suggesting low interfacial tension with water and a liquid-like nature, explaining their high stability and their roles in boundary slip and bubble nucleation. These ordered domains may be the interfacial hydrophilic gas hydrates and/or the long-sought chemical surface heterogeneities responsible for contact line pinning and contact angle hysteresis. The gradual nucleation and growth of hydrophilic ordered domains renders the original homogeneous hydrophobic/water interface more heterogeneous over time, which would have great consequence for interfacial properties that affect diverse phenomena, including interactions in water, chemical reactions, and the self-assembly and function of biological molecules.

研究の動機と目的

• ガスの蓄積が果たす役割を特定することで、疎水性/水界面に関する実験的議論の矛盾を解消すること。
• 高秩序な焼結グラファイト/水界面におけるガス含有構造の初期核化および成長ダイナミクスを調査すること。
• 界面ナノバブルおよびその前駆体である流動性層の機械的および構造的性質を特定すること。
• 疎水性系における接触角ヒステリシスおよび境界滑りの起源を明らかにすること。
• 水の界面現象に影響を与える界面不均一性の性質を明確にすること。

提案手法

• 高度な原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、高秩序な焼結グラファイト/水界面におけるガス含有構造の初期進化を観察した。
• 流動性濡れ層（約0.3 nm 厚）の形成とその後の被膜型ナノバブルへの変化をリアルタイムでモニタリングした。
• 流動領域の縁に形成・成長する二次元的な整列領域の核化および成長を追跡した。
• ナノバブルおよび流動性層の機械的性質を分析し、界面張力および液体的挙動を推定した。
• 整列領域の形成と接触線ピン留めおよび界面不均一性に果たす可能性のある役割を相関分析した。
• 時間分解AFMを用いて、時間の経過に伴い界面不均一性が徐々に増大することを観察した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノバブルは疎水性/水界面でナノスケールでどのように核化するのか？
• RQ2 初期の流動性濡れ層がナノバブル形成に果たす役割は何か？
• RQ3 界面ナノバブルの高い安定性の原因は何か？
• RQ4 界面に形成される整列領域は、接触角ヒステリシスおよび境界滑りにどのように影響するか？
• RQ5 接触線ピン留めおよび動的ヒステリシスを引き起こす界面不均一性の性質は何か？

主な発見

• ナノバブルの核化の前に、疎水性/水界面に約0.3 nm 厚の流動性濡れ層が最初に形成される。
• 流動性層が被膜型の界面ナノバブルに変化することから、動的核化経路が示唆される。
• 界面ナノバブルおよび流動性層は非常に類似た機械的性質を示しており、低界面張力および液体的挙動を示すことが示唆される。
• 流動領域の縁に二次元的な整列領域が核化・成長し、最終的に垂直方向の成長を制限してナノバブルを安定化させる。
• これらの整列領域は、接触線ピン留めを引き起こす界面親水性ガスハイドレートまたは化学的表面不均一性である可能性が高い。
• 整列領域の徐々な形成により、時間の経過とともに界面不均一性が増大し、境界滑りや接触角ヒステリシスを含む界面性質に顕著な影響を与える。