[논문 리뷰] Evidence of Epitaxial Growth of Molecular Layers of Dissolved Gas at a Hydrophobic/Water Interface

Ing‐Shouh Hwang, Chih‐Wen Yang외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 30.

Minerals Flotation and Separation Techniques참고 문헌 38인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고감도 원자력 현미경을 사용하여 고분자성 (흑연)/물 인터페이스에서 용해된 질소 기체 분자가 에피택시성 성장을 보이는 직접적인 증거를 제공한다. 관찰된 층-섬유 성장 방식은 용해된 기체 분자가 핵을 만들고 순서 정돈된 단층을 형성함으로써 나노气포의 안정성과 물 표면에서의 기체 분리 메커니즘을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고분자성/물 인터페이스의 특성, 특히 나노기포 안정성의 기원을 규명하기 위해.
• 용해된 기체 분자가 고분자성 표면에 순서 정돈된 에피택시성 단층을 형성할 수 있는지 확인하기 위해.
• 액체 내 및 고체/물 인터페이스에서 기체 분리와 군집화의 역할을 탐구하기 위해.
• 수용액 환경에서 기체 상의 핵을 만들고 성장하는 메커니즘을 명확히 하기 위해.
• 용해된 기체 분자가 집합하여 클러스터를 형성하고 임계 크기에 도달함으로써 안정된 기체 기포로 전이되는 가설을 검증하기 위해.

제안 방법

• 고감도 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 근원자 해상도에 가까운 수준에서 물/흑연 인터페이스를 영상 촬영하였다.
• 환경적 요란을 최소화하고 나노미터 이하의 표면 특징을 감지하기 위해 통제된 조건에서 실험를 수행하였다.
• 표면의 형태 및 핵을 형성하는 패tern을 분석하여 순서 정돈된 분자 단층 형성을 확인하였다.
• 성장 방식을 반도체 시스템에서의 Stranski-Krastanov 이종 에피택시 모델과 비교하였다.
• 구조적 정기성과 고분자성 상호작용을 통해 질소 분자의 존재를 유추하였다.
• 고분자 효과를 기반으로 한 이론적 모델링을 사용하여 용해된 기체 클러스터의 집합과 상전이를 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 용해된 기체 분자는 고분자성/물 인터페이스에서 순서 정돈된 에피택시성 단층을 형성할 수 있는가?
• RQ2 고분자성 표면에 용해된 기체 분자의 분자층 성장 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 인터페이스에서의 기체 분리가 물 내 나노기포 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 수용액 환경에서 기체 클러스터에서 매크로스코픽 기체 기포로의 전이에 필요한 임계 크기는 얼마인가?
• RQ5 고분자 효과가 액체 내 및 인터페이스에서 용해된 기체의 집합을 얼마나 강하게 이끌어내는가?

주요 결과

• 고감도 AFM를 통해 물/흑연 인터페이스에서 고도로 질서 정돈된 단층의 핵을 만들고 성장하는 것이 확인되었으며, 이는 에피택시성 성장과 일치한다.
• 관찰된 성장 방식은 Stranski-Krastanov 메커니즘과 일치하여 층별 성장 후 섬 성장이 일어남을 나타낸다.
• 이 단층 형성은 구조적 정기성과 고분자성 상호작용을 통해 물에 용해된 질소 분자의 흡착으로 기인하며, 이를 확인하였다.
• 결과는 용해된 기체 분자가 클러스터를 형성하고 임계 크기에 도달함으로써 안정된 기체 기포로 전이될 수 있음을 시사한다.
• 이 연구는 오랫동안 미해결이었던 액체 내 및 고체/물 인터페이스에서의 나노기포 안정성 문제에 대한 물리적 메커니즘을 제공한다.
• 고분자 효과에 의해 이끌리는 기체 분리 및 군집화가 수용액 시스템에서 기체 상 핵을 만들기 위한 핵심 요소임을 뒷받침한다.