[논문 리뷰] How Nanobubbles Nucleate at a Hydrophobic/Water Interface

Ing‐Shouh Hwang, Chung-Kai Fang외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 25.

Minerals Flotation and Separation Techniques참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 나노气거품이 수소화성/수계 인터페이스에서 이중단계 과정을 통해 형성됨을 밝혀냈다: 먼저 약 0.3 nm 두께의 얇고 유동성 있는 적층층(습윤층)이 형성되고, 이어 그 형태가 모양의 표면 나노기포로 전환된다. 이러한 유동 영역의 둘레에 순서 정렬된 수성 영역이 형성되어 표면 장력을 감소시켜 나노기포의 높은 안정성을 유지하며, 이는 경계 슬립과 접촉역행성의 기원을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가스 축적의 역할을 규명하여 수소화성/수계 인터페이스에 대한 실험적 논란을 해결하고자 한다.
• 고도로 순차적인 피로열 고형석영/수계 인터페이스에서 기체를 수반하는 구조의 초기 핵형성 및 성장 역학을 조사하고자 한다.
• 표면 나노기포와 그 전구체인 유동성 층의 기계적 및 구조적 성질을 규명하고자 한다.
• 수소화성 시스템에서 접촉각 역행성과 경계 슬립의 기원을 탐구하고자 한다.
• 물에서 표면 현상에 영향을 미치는 표면 이질성의 본질을 명확히 하고자 한다.

제안 방법

• 고도로 순차적인 피로열 고형석영/수계 인터페이스에서 기체를 수반하는 구조의 초기 진화를 관찰하기 위해 고급 원자력 현미경(AFM)을 활용하였다.
• 실시간으로 약 0.3 nm 두께의 유동성 습윤층 형성과 그 후에 이어지는 모양의 나노기포로의 전환을 모니터링하였다.
• 유동 영역의 둘레에서 두 차원적인 순서 정렬된 영역의 핵형성 및 성장을 추적하였다.
• 나노기포와 습윤층의 기계적 성질을 분석하여 표면 장력과 액체 유사 행동을 유추하고자 하였다.
• 순서 정렬된 영역의 형성과 접선 고정 및 표면 이질성에 기여하는 잠재적 역할을 상관 분석하였다.
• 시간 해상도를 갖춘 AFM를 사용하여 시간이 지남에 따라 표면 이질성이 점차 증가하는 것을 관찰하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노기포는 수소화성/수계 인터페이스에서 나노스케일에서 어떻게 핵형성하는가?
• RQ2 초기 유동성 습윤층이 나노기포 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 표면 나노기포의 높은 안정성은 무엇에 기인하는가?
• RQ4 표면의 순서 정렬된 영역은 접촉각 역행성과 경계 슬립에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 접선 고정과 동적 역행성에 기여하는 표면 이질성의 본질은 무엇인가?

주요 결과

• 수소화성/수계 인터페이스에서 나노기포 핵형성 이전에 약 0.3 nm 두께의 유동성 습윤층이 먼저 형성된다.
• 습윤층이 모양의 표면 나노기포로 전환되며, 이는 동적인 핵형성 경로를 시사한다.
• 표면 나노기포와 습윤층은 매우 유사한 기계적 성질을 보이며, 낮은 표면 장력과 액체 유사 행동을 나타낸다.
• 두 차원적인 순서 정렬된 영역이 유동 영역의 둘레에서 핵형성 및 성장하여 점차 수직 성장을 제한하고 나노기포를 안정화시킨다.
• 이러한 순서 정렬된 영역는 접선 고정에 기여하는 표면 수성 기체 수화물 또는 화학적 표면 이질성일 가능성이 높다.
• 순서 정렬된 영역의 점진적 형성이 시간이 지남에 따라 표면 이질성을 증가시키며, 경계 슬립과 접촉각 역행성과 같은 표면 성질 및 현상에 크게 영향을 미친다.