[論文レビュー] Surface bubble nucleation phase space

James R. T. Seddon, E. Stefan Kooij+3 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Oct 26, 2010

nanoparticles nucleation surface interactions被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、疎水化シリコン上での表面ナノバブル核生成の位相空間を、液体温度と溶解ガス濃度を独立に制御することでマッピングした。ナノバブルは、この位相空間内で狭く明確に定義された領域（100–110%ガス飽和度）でのみ生成され、特に過飽和は必要ではないことが判明した。代わりに、液体を堆積させる際の正確な温度および濃度条件が核生成に影響し、高温および高濃度条件下ではナノバブル領域を超えてマイクロパンケーキが形成される。

ABSTRACT

Recent research has revealed several different techniques for nanoscopic gas nucleation on submerged surfaces, with findings seemingly in contradiction with each other. In response to this, we have systematically investigated the occurrence of surface nanobubbles on a hydrophobised silicon substrate for various different liquid temperatures and gas concentrations, which we controlled independently. We found that nanobubbles occupy a distinct region of this phase space, occurring for gas concentrations of approximately 100-110%. Below the nanobubble phase we did not detect any gaseous formations on the substrate, whereas micropancakes (micron wide, nanometer high gaseous domains) were found at higher temperatures and gas concentrations. We moreover find that supersaturation of dissolved gases is not a requirement for nucleation of bubbles.

研究の動機と目的

• 先行研究で報告されたナノバブル核生成メカニズムに関する矛盾を解消すること。
• 溶解ガスの過飽和が、疎水化表面におけるナノバブル形成に必須条件であるかどうかを特定すること。
• 液体温度と溶解ガス濃度を独立に変化させることで、ナノバブル核生成の位相空間をマッピングすること。
• ナノバブルが形成されるか、マイクロパンケーキまたは気体領域が形成されないかの条件を同定すること。
• 産業応用においてナノバブルを体系的かつ不純物を伴わずに核生成可能にする、あるいは回避するための方法を提供すること。

提案手法

• 疎水性表面を形成するため、フルオロデシルトリクロロシルランを用いて疎水化シリコンウェハを調製した。
• 液体温度と溶解ガス濃度を、温度制御ホットプレートとリアルタイムガス濃度モニタリングに用いた酸素センサーを用いて独立に制御した。
• 純水はMillipore Simplicity 185システムを用いて調製し、ガス濃度はmg/Lおよびパcent saturation単位で測定した。
• 独自に開発したAFM液体セルを用い、親水性で金被膜を施したSi3N4プローブを用いて、90%のセットポイントおよび約15–25 kHzの共振周波数で基板の状態をin situで撮影した。
• 所定の温度およびガス濃度で液体を基板に急速に堆積（5–6秒以内）し、その後2×2 µm領域を10分間AFMで走査した。
• 液体温度およびガス濃度を変化させたデータを収集し、2次元の位相空間における核生成挙動をマッピングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 疎水化基板上での表面ナノバブル核生成に、溶解ガスの過飽和が必須条件であるか？
• RQ2 液体温度と溶解ガス濃度を独立に変化させた場合、ナノバブルとマイクロパンケーキの形成にどのような影響を与えるか？
• RQ3 ナノバブルが過飽和を伴わず安定して核生成する、正確な位相空間の領域はどこか？
• RQ4 理論的溶解タイムスケールが極めて短いにもかかわらず、なぜナノバブルが数日間も安定して存在するのか？
• RQ5 エタノール-水交換法などの方法によるクロスコンタミネーションを避けて、ナノバブルまたはマイクロパンケーキの核生成を選択的に制御できるか？

主な発見

• ナノバブルは、液体温度と溶解ガス濃度によって定義される位相空間内で、狭く明確に定義された領域（ガス濃度約100–110%飽和度）でのみ生成される。
• 溶解ガスの過飽和は、ナノバブル核生成の要件ではない。冷却後の基板温度に対して液体が過飽和でない状態でも、ナノバブルは生成する。
• ナノバブル核生成の閾値未満では、基板上にいかなる気体領域も形成されないため、核生成のない明確な遷移領域が存在する。
• ナノバブル領域を超えた領域では、マイクロパンケーキ（ミクロンサイズ、ナノメートルオーダーの高さの気体領域）が優先的に形成され、特に堆積後に液体が大きく冷却される場合に顕著に観察される。
• 液体が堆積後に基板温度まで冷却される場合にマイクロパンケーキ形成への遷移が発生することから、マイクロパンケーキは液体相からの凝縮吸着体である可能性が示唆される。
• ナノバブルおよびマイクロパンケーキが形成されない「安全領域」が位相空間に存在し、これによりイムマージョンリソグラフィなどの産業プロセスで不純物を伴わない運用が可能になる。