[论文解读] How Nanobubbles Nucleate at a Hydrophobic/Water Interface

Ing‐Shouh Hwang, Chung-Kai Fang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2015

Minerals Flotation and Separation Techniques参考文献 12被引用 3

一句话总结

本研究揭示了纳米气泡在疏水/水界面通过两步过程成核：首先形成一层约0.3 nm厚的薄而流动的润湿层，随后该层转变为帽状的界面纳米气泡。在这些流体区域边缘形成的有序亲水畴通过降低界面张力，稳定了纳米气泡，从而解释了其高稳定性以及在边界滑移和接触角滞后中的作用。

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.

研究动机与目标

• 通过识别气体积聚的作用，解决实验研究中关于疏水/水界面的争议。
• 研究高度有序热解石墨/水界面处含气结构的初始成核与生长动力学。
• 确定界面纳米气泡及其前驱流体层的机械与结构特性。
• 探讨疏水体系中接触角滞后和边界滑移的起源。
• 阐明影响水中界面现象的界面异质性的本质。

提出的方法

• 采用先进的原子力显微镜（AFM）对高度有序热解石墨/水界面处含气结构的初始演化进行成像。
• 实时监测厚度约0.3 nm的流体润湿层的形成，随后其转化为帽状纳米气泡。
• 追踪流体区域边缘处二维有序畴的成核与生长过程。
• 分析纳米气泡与流体层的机械性能，推断界面张力和液态行为。
• 将有序畴的形成与可能在接触线钉扎和界面异质性中的作用相关联。
• 利用时间分辨AFM观察界面异质性随时间逐渐增加的过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米气泡在纳米尺度下如何在疏水/水界面成核？
• RQ2 初始流体润湿层在纳米气泡形成过程中起什么作用？
• RQ3 什么导致了界面纳米气泡的高稳定性？
• RQ4 界面处的有序畴如何影响接触角滞后和边界滑移？
• RQ5 导致钉扎和动态滞后现象的界面异质性的本质是什么？

主要发现

• 在纳米气泡成核之前，疏水/水界面首先形成一层厚度约为0.3 nm的流体润湿层。
• 该流体层随后转变为帽状的界面纳米气泡，表明存在一种动态成核路径。
• 界面纳米气泡与流体层表现出非常相似的机械性能，表明界面张力较低且具有液态行为特征。
• 二维有序畴在流体区域边缘成核并生长，最终限制垂直方向的生长，从而稳定纳米气泡。
• 这些有序畴很可能是界面亲水性气体水合物或化学表面异质性，负责接触线钉扎。
• 有序畴的逐渐形成使界面异质性随时间增加，显著影响界面特性及边界滑移、接触角滞后等界面现象。