亚微米周期性结构基底对纳米气泡界面特性的调控机制研究

It was proved that aggregation behavior of gases at nanometer scale on the solid-liquid interface has an important effect on the properties of solid-liquid interface. It has drawn a considerable concern and attention and becomes a hot topic in the fields of surface chemistry, colloid chemistry, fluid dynamics, environmental and life sciences researches. About why interfacial nanobubbles are very stable and have a large contact angle comparing the droplets at macroscopic scale are the controversial questions and also the key issues of the current research need to solve urgently. Among them, the property of substrate is one of the key factors affecting the stability of nanobubbles. Therefore, this project mainly investigates the fabrication of sub-microscopic structures with different sizes and hydrophobicity as substrates to produce nanobubbles using varied techniques, such as soft X-ray interference lithography and electron beam lithography techniques. At the same time, the stable adsorption behavior and interfacial properties of nanobubbles on those periodic structured substrates can be studied systematically via the advanced nano observation technology, atomic force microscopy. Those results are expected to further reveal the mechanism of nanobubble stability and obtain the rule of absorption of nanobubbles at solid surface with different structures and properties. It is also expected that the formation and interfacial properites of nanobubbles could be regulated artificially by structured substrates. It shoud provide some experimental data for their applications in microfluidic devices.

纳米尺度下气体在固液界面上的聚集行为被证明对固液界面性质有着重要的影响，已引起科学工作者极大的关注和重视，成为表面化学、胶体化学、流体动力学、环境和生命科学等多个领域的研究热点。关于固液界面纳米气泡为什么能够稳定存在和与宏观尺度下相比较大的界面接触角是目前研究的争议热点和急需解决的关键问题。其中，基底的性质是影响纳米气泡稳定性的关键因素之一。所以，本项目拟利用多种手段和技术，先进的微纳加工技术-软X射线干涉光刻技术和电子束光刻直写技术制备不同尺度、不同大小和不同疏水性的亚微米周期性结构基底。通过先进的纳米观测技术-原子力显微技术对纳米气泡在周期性结构基底上的稳定吸附行为和界面特性进行系统研究，以期能揭示其稳定机制，得到纳米气泡在不同结构和性质基底表面纳米气泡稳定吸附规律，实现通过基底的性质来人为调控纳米气泡的生成和界面吸附的目的，为探索纳米气泡在微流器件方面的应用提供实验基础。

纳米尺度下气体在固液界面上的聚集行为被证明对固液界面性质有着重要的影响，已引起科学工作者极大的关注和重视，成为表面化学、胶体化学、流体动力学、环境和生命科学等多个领域的研究热点。关于固液界面纳米气泡为什么能够稳定存在和与宏观尺度下相比较大的界面接触角是目前研究的争议热点和急需解决的关键问题。其中，基底的性质是影响纳米气泡稳定性的关键因素之一。本项目利用多种手段和技术，先进的微纳加工技术，软X射线干涉光刻技术和电子束光刻直写技术制备不同尺度、不同大小和不同疏水性的亚微米周期性结构基底。通过先进的纳米观测技术，原子力显微技术对纳米气泡在周期性结构基底上的稳定吸附行为和界面特性进行了系统研究，通过调控不同尺寸大小、不同形状和不同亲疏水性的亚微米周期结构来调控纳米气泡/纳米液滴的生长，系统研究了这些周期性结构对纳米气泡和纳米液滴生长和稳定性的影响。结果发现，周期性结构疏水部分可以诱导生成纳米气泡和纳米液滴，并且优先吸附到疏水的部分，通过调节疏水部分的尺寸可以调控纳米气泡和纳米液滴的大小和分布。另外，利用定量纳米力学模式原子力显微镜技术精确测量得到乙醇水溶液中界面纳米气泡的接触角和表面张力；发展了超声产生体相纳米气泡的方法，得到了产生纳米气泡的最优条件和形成规律；发展了减压法产生表面/体相纳米气泡的新方法并研究了形成的纳米气泡的稳定性，随着减压时间的长短，纳米气泡的稳定性不同。上述实验数据对揭示纳米气泡/纳米液滴的稳定机制，探索纳米气泡在微流器件方面的应用提供了重要的实验基础。