[論文レビュー] Surface Nanobubble Nucleation Visualized with TIRF Microscopy

Chon U Chan, Claus‐Dieter Ohl|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2012

Minerals Flotation and Separation Techniques被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ヒドロフィル性ガラス表面における表面ナノバブルの核生成を、時間分解能および空間分解能に優れた全内反射蛍光（TIRF）顕微鏡法とルービン6G染料を用いて可視化することを示した。この手法により、水-エタノール-水交換中におけるナノバブルの形成をリアルタイムで観察でき、水置換後4分以内に安定したナノバブルが核生成し、表面密度が0.55 bubbles/μm²に達することが明らかになった。一方、一時的なバブルはエタノール相中で形成され、40秒以内に消失した。

ABSTRACT

Nanobubbles are observed with optical microscopy using the total internal reflection fluorescence (TIRF) excitation. We report on TIRF visualization using Rhodamine 6G at 5$μ\,$M concentration which results to strongly contrasted pictures. The preferential absorption and the high spatial resolution allow to detect nanobubbles with diameters of 230\,nm and above. We present a study of the nucleation dynamics from the water-ethanol-water exchange and report the size distributions. Nanobubble nucleation is observed within 4 min after the exchange, later a stable population of nanobubbles with a surface density of 0.55 bubbles\,/$μ$m$^2$ is formed. Interestingly, unstable, slowly dissolving nanobubbles are observed during the first stage of water-ethanol exchange; only after the ethanol-water exchange stable nanobubbles appear.

研究の動機と目的

• ヒドロフィル性表面におけるナノバブル核生成ダイナミクスを高時間分解能で研究するための光学的手法を開発すること。
• AFM や赤外分光法の限界を克服し、ナノバブルの形成および進化をリアルタイムで観察できること。
• 水-エタノール-水交換プロセス中の表面ナノバブルの核生成ダイナミクスおよび安定性を調査すること。
• 時間経過に伴うナノバブルのサイズ分布および表面密度の変化を定量すること。
• ナノバブル物理学の理解を深めるために、核生成キネティクスおよび平衡状態での形成に関する実験的データを提供すること。

提案手法

• 532 nmのグリーンレーザーと高NAレンズ（NA 1.49）を用いて、5 μMのルービン6G染料を励起するTIRF顕微鏡法を採用した。
• 照射深さは約70 nm、空間分解能は108 nm/pixelであり、230 nm以上の直径を有するナノバブルの検出が可能であった。
• ガラスカバーガラス上に作製したマイクロフラウドIC PDMSチャネル（幅1 mm、高さ20 μm）を用いて、液体交換およびバブル形成を制御した。
• シリンジポンプを用いて、制御された流量（1–125 μL/min）で水-エタノール-水交換を実施し、Tジョイントにおける拡散を最小限に抑えるために初期段階で高速流量を設定した。
• 冷却CCDカメラを用いて18 fps（露出時間25–40 ms）で動的挙動をモニタリングし、時間分解能を56 msに達成した。
• 時間経過に伴うバブルの形成および消失を追跡するために、フレーム間での蛍光強度を正規化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水-エタノール-水交換プロセス中における表面ナノバブルの核生成はどのように進行するか？
• RQ2 ナノバブルの形成および消失の時間的順序は何か？安定ナノバブルはいつ出現するか？
• RQ3 液体交換中の流量が、核生成速度および最終的なナノバブル密度にどのように影響するか？
• RQ4 検出可能なナノバブルのサイズ分布は何か？また、分解能限界とどのように関係するか？
• RQ5 核生成が平衡状態に達した後の安定ナノバブルの表面密度は何か？

主な発見

• 水-エタノール-水交換が完了してから4分以内にナノバブルの核生成が発生し、エタノール相が置き換えられた後、安定ナノバブルが形成された。
• 核生成後に、表面密度が0.55 bubbles/μm²の安定ナノバブル集団が確立された。
• 一時的で、急速に消失するナノバブルはエタノール相中に出現し、40秒以内に消滅した。これは一時的核生成を示している。
• 流量5 μL/minの場合、2.5分でナノバブル密度が0.1 bubbles/μm²に上昇し、6.5分で0.4 bubbles/μm²に達した。最大値の10%から90%に達するまでの上昇時間（rise time）は約240秒であった。
• 230 nm（2ピクセル）まで分解能を達成したナノバブルのサイズ分布は、主に大きなバブルが優勢であり、限界以下のサイズのバブルは解像できなかった。
• 核生成プロセスは流量に依存する：高流量（例：50 μL/min）では核生成がほぼ即時的に発生するが、低流量ではプロセスが長引く。