[论文解读] Evidence of Epitaxial Growth of Molecular Layers of Dissolved Gas at a Hydrophobic/Water Interface

Ing‐Shouh Hwang, Chih‐Wen Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2012

Minerals Flotation and Separation Techniques参考文献 38被引用 8

一句话总结

本研究利用高灵敏度原子力显微镜，首次直接提供了在疏水性（石墨）/水界面处，溶解氮气分子层外延生长的实验证据。观察到的层加岛状生长模式表明，溶解的气体分子会成核并组织形成有序单层，为纳米气泡的稳定性及水界面处的气体分离提供了机制解释。

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.

研究动机与目标

• 研究疏水性/水界面的性质，特别是纳米气泡稳定性的起源。
• 确定溶解气体分子是否能在疏水性表面形成有序的外延单层。
• 探讨气体在体相水及固/水界面处的分离与团簇化作用。
• 阐明水环境中气相成核与生长的机制。
• 检验假设：溶解气体分子聚集形成团簇，并在达到临界尺寸后转变为稳定的气泡。

提出的方法

• 采用高灵敏度原子力显微镜（AFM）在接近原子分辨率下对水/石墨界面进行成像。
• 实验在受控条件下进行，以最小化环境干扰并检测亚纳米级表面特征。
• 通过分析表面形貌与成核模式，识别有序分子单层的形成。
• 将生长模式与半导体体系中的Stranski-Krastanov异质外延模型进行比较。
• 根据观察到的结构周期性与疏水相互作用，推断氮分子的存在。
• 基于疏水效应的理论建模用于解释溶解气体团簇的聚集与相变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 溶解气体分子是否能在疏水性/水界面形成有序的外延单层？
• RQ2 溶解气体在疏水性表面的分子层生长机制是什么？
• RQ3 界面处的气体分离如何促进水中的纳米气泡稳定性？
• RQ4 在水环境中，气体团簇向宏观气泡转变的临界尺寸是多少？
• RQ5 疏水效应在驱动体相水中及界面上溶解气体聚集方面的作用程度如何？

主要发现

• 高灵敏度AFM揭示了在水/石墨界面处存在高度有序单层的成核与生长，与外延生长一致。
• 观察到的生长模式与Stranski-Krastanov机制相符，表明为逐层生长后形成岛状结构。
• 单层形成归因于水中溶解的氮分子吸附，该结论由结构周期性与疏水相互作用证实。
• 结果表明，溶解气体分子可聚集为团簇，并在达到临界尺寸后演化为稳定的气泡。
• 研究结果为长期存在的体相水中及固/水界面处纳米气泡稳定性的物理机制提供了支持。
• 本研究支持如下假设：由疏水效应驱动的气体分离与团簇化是水相系统中气相成核的关键因素。