基于同步辐射的固液界面“纳米气泡”结构与性质研究

Research on nanobubbles which are related to many important processes at solid/water interface is a frontier in physics and interfacial sciences. However, the lack of the studying based on the internal properties of nanobubbles has largely impeded the development in the nanobubbles field, leading to the long time of hot arguments on some basic issues. In this project, based on the advanced synchrotron X-ray microscopy combined with atomic force microscopy (AFM), we will reveal and analysis the important internal information of nanobubbles such as the density of dissolved gases, the distribution structure of water molecules,etc. Particularly, we’ll try to use Ne and SF6 gases to produce nanobubbles on solid/water interface and measure their densities inside the nanobubbles; we’ll measure and analysis the adsorption spectrum of water molecules at oxygen K edge to give out the distribution of water inside nanobubbles; we’ll refine the AFM measurement to offer more accurate results on their surface tension and morphology of nanobubbles. After combining the synchrotron data with the AFM data, we will propose an integrated physical model of nanobubbles based on molecular dynamic simulations, trying to explain the mystery of long lifetime and large contact angle of nanobubbles.

“纳米气泡”是界面物理与科学的一个前沿研究领域，涉及固液界面众多重要过程。由于”纳米气泡”内部信息的实验和分析比较缺乏,严重阻碍了该领域的进一步发展，一些基本问题长期处于争论之中。本项目将立足于我们长期系统的”纳米气泡”研究基础, 拟利用先进的同步辐射纳米显微技术并结合原子力显微镜（AFM）技术,来进一步揭示”纳米气泡”的重要内部信息。首先,拟利用扫描透射X射线显微术（STXM）测量氖气和SF6气体分子在“纳米气泡”内部的密度；通过氧的K吸收边的同步辐射能量谱的解析给出“纳米气泡”内部水分子的分布与排布；同时，进一步改进AFM力学测量方法，精确测量纳米气泡的表面张力和形貌。最后，利用分子动力学模拟对同步辐射的内部信息和AFM的表面信息进行整合，提出一个相对完整合理的”纳米气泡”理论模型，并在此基础上解释其稳定性和超大润湿角两大疑团，为深入了解”纳米气泡”的结构与性质奠定基础。

纳米气泡是界面物理与科学的一个前沿研究领域，涉及固液界面众多重要过程。由于纳米气泡内部信息的实验和分析比较缺乏，严重阻碍了该领域的进一步发展，一些基本问题长期处于争论之中。本项目针对重要的科学问题，纳米气泡的稳定性，利用同步辐射软X射线谱学显微技术获得了纳米气泡内部氧气的化学信息，计算得到了氧气气泡内气体的密度比宏观空气密度高1-2数量级。另外结合原子力显微技术研究了溶液中纳米气泡的硬度和表面张力；利用Force Volume模式区分纳米气泡和PDMS油污染，纳米气泡的力曲线存在一较为平坦的台阶，但PDMS油滴没有；研究了不同PH和盐溶液中体相纳米气泡的物理化学性质，发现在碱性溶液中生成高浓度稳定的纳米气泡；通过力曲线和理论模拟揭示界面纳米气泡内部可能是高密度。通过分子动力学模拟对上述高密度结果进行了模拟计算，提出了相对完整合理的“纳米气泡”理论模型，为深入了解纳米气泡的稳定性奠定了重要的基础。