纳米气泡的同步辐射研究

固/液界面纳米气泡由于其在工业，生物，医学和环境等领域中的重要性和潜在应用，已引起越来越多科研工作者的密切关注。本项目基于本科研组在纳米气泡研究方面的优势，借助于上海光源的软X射线显微和小角X射线散射的先进技术，如纳米尺度的空间成像分辨率及高能量分辨的化学元素近边吸收光谱，结合原子力显微技术，为纳米级气泡真实存在提供最直接证据；研究纳米气泡在不同曲率的疏水界面吸附特性，以期能够阐明纳米气泡的稳定机制，揭示微观气体聚集的特殊规律；研究体相纳米气泡的稳定性和纳米气泡在微纳膜表面的吸附情况，初步探索纳米气泡在水净化和修复方面的应用，为纳米气泡在工业，环境和生物中的潜在应用奠定坚实的基础；期望建立纳米气泡相关研究的同步辐射实验平台，为光源用户提供更好的服务。

固/液/气界面一直是非常重要的研究方向，因为它对工业，生物和传感技术等方面的影响非常重要，但至今存在很多尚未解决的问题。其中，固液界面存在的纳米气泡的真实存在以及其稳定性这些问题存在很大争议。随着科技的发展，第三代同步辐射技术成为国际上非常先进的实验技术。其中，扫描透射X射线显微术（STXM）的快速发展为探测气体在固/液界面在纳米尺度下的吸附提供了新的方法，它具有较高的空间分辨率（30nm），正好在纳米气泡的尺度范围内，同时具有高能量分辨的近边吸收精细结构谱学（NEXAFS）能力。小角X射线散射技术（SAXS）具有高的能量分辨率，可以通过测量 X 射线相干散射在小角度范围（2θ ≈0.03o －10o）的X 射线小角散射强度分布，获得物质内部较大尺度（100nm以下）的结构信息。所以利用SAXS可用于检测体相纳米级气泡的存在，纳米气泡在有机膜材料表面的吸附情况，它们的稳定性及大小等性质。上海同步辐射光源的建成，为我们采用STXM和SAXS技术研究水方面的科学问题提供了很好的机会。该项目主要利用软X射线透射显微技术研究了氖气和SF6形成的纳米气泡的界面行为。发现氖气和SF6都可以形成纳米气泡，微米气泡，但横向尺寸超过2.5微米的气泡非常不稳定，很容易相互融合变大，而小的气泡即使扫描130次，形貌基本不变。这些结果和原子力显微镜观察到的现象基本一致，两种检测手段得到了相互验证。另外，通过新的原子力显微技术-Peakforce技术检测了单个纳米气泡的力学性质，发现纳米气泡越小，气泡将变得越“硬”。其次，利用小角X射线散射技术研究了氖气和SF6形成的体相纳米气泡的尺寸大小以及多孔碳材料吸附气体的情况，发现吸附有氧气或SF6的体系，体相中颗粒的回旋半径大大提高。最后，通过测量体系中氧释放量的方法比较了几种过滤膜在相同温度和时间下吸附氧气的量。发现相同条件下，PAN超滤膜对溶解氧的吸附量最大。所以，本项目借助于上海光源的软X射线显微和小角X射线散射的先进技术，如纳米尺度的空间成像分辨率及高能量分辨的化学元素近边吸收光谱，结合原子力显微技术，为纳米级气泡真实存在提供了最直接证据；研究体相纳米气泡的稳定性和纳米气泡在微纳膜表面的吸附情况，初步探索纳米气泡在水净化和修复方面的应用，为纳米气泡在工业，环境和生物中的潜在应用奠定坚实的基础；建立了纳米气泡相关研究的同步辐射实验平台。