[论文解读] Surface bubble nucleation phase space

James R. T. Seddon, E. Stefan Kooij+3 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Oct 26, 2010

nanoparticles nucleation surface interactions被引用 4

一句话总结

本研究通过独立调控液体温度和溶解气体浓度，绘制了疏水化硅表面纳米气泡成核的相空间。研究发现，纳米气泡仅在该相空间的一个狭窄且独特的区域内形成（气体饱和度100–110%），且关键的是，无需过饱和条件——相反，成核取决于液体沉积时精确的温控与浓度条件，高温和高浓度下会形成微碟片结构，而该区域之外则不形成纳米气泡。

ABSTRACT

Recent research has revealed several different techniques for nanoscopic gas nucleation on submerged surfaces, with findings seemingly in contradiction with each other. In response to this, we have systematically investigated the occurrence of surface nanobubbles on a hydrophobised silicon substrate for various different liquid temperatures and gas concentrations, which we controlled independently. We found that nanobubbles occupy a distinct region of this phase space, occurring for gas concentrations of approximately 100-110%. Below the nanobubble phase we did not detect any gaseous formations on the substrate, whereas micropancakes (micron wide, nanometer high gaseous domains) were found at higher temperatures and gas concentrations. We moreover find that supersaturation of dissolved gases is not a requirement for nucleation of bubbles.

研究动机与目标

• 解决先前研究中关于纳米气泡成核机制的矛盾之处。
• 确定溶解气体的过饱和是否为疏水化基底上表面纳米气泡形成的必要条件。
• 通过独立改变液体温度和溶解气体浓度，绘制纳米气泡成核的相空间。
• 识别纳米气泡形成与微碟片或无气态结构形成之间的条件差异。
• 为工业应用提供一种系统化、无污染的纳米气泡成核方法，或实现其有效避免。

提出的方法

• 使用全氟癸基三氯硅烷处理制备疏水化硅片，形成稳定且不润湿的表面。
• 利用温控热板独立控制液体温度，并通过氧传感器实时监测气体浓度。
• 纯水通过Millipore Simplicity 185系统制备，气体浓度以mg/L和百分比饱和度表示。
• 采用定制的AFM液体池，使用亲水性、金涂层的Si3N4探针在90%设定点及约15–25 kHz共振频率下进行原位成像。
• 在设定的温度和气体浓度下，于5–6秒内快速将液体沉积至基底，随后对2×2 µm区域进行10分钟的AFM扫描。
• 通过在不同液体温度和气体浓度下收集数据，构建二维相空间中的成核行为图谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 溶解气体的过饱和是否为疏水化基底上表面纳米气泡成核的必要条件？
• RQ2 液体温度和溶解气体浓度的独立变化如何影响纳米气泡与微碟片的形成？
• RQ3 在何种精确的相空间区域内，纳米气泡可在无过饱和条件下可靠成核？
• RQ4 为何纳米气泡能持续数天，尽管其理论溶解速率极快？
• RQ5 能否在不引入乙醇-水交换等方法导致交叉污染的前提下，选择性控制纳米气泡或微碟片的成核？

主要发现

• 纳米气泡仅在由液体温度和溶解气体浓度定义的相空间中一个狭窄且独特的区域内成核，具体为气体饱和度约100–110%的区间。
• 溶解气体的过饱和并非纳米气泡成核的必要条件；即使液体在冷却后相对于基底温度处于欠饱和状态，纳米气泡仍可形成。
• 在纳米气泡成核阈值以下，基底上不会形成任何气态结构，表明存在一个无成核的清晰过渡区域。
• 在纳米气泡区域之上，微碟片——即微米级、纳米级高度的气态结构——会优先形成，尤其在液体沉积后显著冷却时更为明显。
• 微碟片形成的转变发生在液体必须在沉积后冷却至基底温度时，表明微碟片是来自液相的凝聚吸附物。
• 相空间中存在一个“安全区”，在此区域内既不形成纳米气泡也不形成微碟片，适用于浸没光刻等工业过程中实现无污染操作。