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钟良枢研究员荣获中科院上海分院“杰出青年科技创新人才”称号
同步辐射软X射线谱学显微研究取得重要进展:给出纳米气泡内部高密度的直接证据
文章来源:    发布时间:2020-03-11

纳米气泡研究是一个新兴的研究领域。近几年来,微/纳米气泡技术被视为一项颠覆性的创新技术并得到不断发展,其在水体绿色修复、水产养殖、农业种植,矿物高效浮选和健康养生等领域已有诸多成功的案例。鉴于其广泛的应用前景,中国于20182019年相继成立中国颗粒学会微纳米气泡专业委员会和全国微细气泡技术标准化技术委员会。虽然应用前景已经显现,但对纳米气泡基本的科学问题:反常的界面润湿行为和超高稳定性,一直没有合理的解释,而理解这些科学问题的一个关键是获知纳米气泡内部气体的化学组分和存在状态。近日,中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心和上海应用物理研究所等单位合作,利用同步辐射软X射线吸收谱学和显微技术揭示纳米气泡内部气体以一种高密度状态存在,该工作以“Ultra-high Density of Gas Molecules Confined in Surface Nanobubbles in Ambient Water”为题在线发表于《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society, JACS)https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b11303)。 

该研究通过软X-射线透射成像技术(STXM)对电解水方法产生的氧气纳米气泡进行了测量,首次获得了单个纳米气泡的软X射线吸收谱,进一步分析气泡内部和其周围水环境的近边精细结构吸收谱,确认了纳米气泡内部的气体分子呈现出一种新奇的“聚集态(dense gas)”,其密度高出空气密度(1.25kg/m3)的几十倍以上,在X射线的照射下也呈现出超常的稳定性;纳米气泡周围水环境中的气体浓度同样超过热力学平衡下的饱和浓度数十甚至上百倍,这显示在在一个受限空间下的疏水表面附近,气体分子的聚集行为异于常理。该研究也采用分子动力学模拟对高密度纳米气泡的生成和稳定机制进行了探讨。 

该研究团队曾于2008年分别通过理论解析和MD模拟预测,如果纳米气泡内部是高密度,它的寿命将大大增加(Science in China Series G: Physics, Mechanics & Astronomy 2008, 51, 219-224Chinese Physics B 2008, 17(7), 2646-2654)。本论文首次实验证明了纳米气泡内部可能存在高密度,这将有助于从分子水平上解释纳米气泡的超高稳定性,充分理解其在各个领域中应用的神奇效应。例如,水修复中高效的改善底泥缺氧状态,提高鱼苗的成活率和产量等,内部高浓度还可能使得微观尺度下气体输运、气体相关的催化反应高效进行。 

上海光源科学中心周利民和王兴亚博士为论文共同第一作者,中国科学院上海高等研究院和上海应用物理研究所胡钧、高兴宇和张立娟研究员为共同通讯作者。实验数据分别在上海光源软X射线谱学显微线站,韩国浦项光源10A线站和加拿大光源SM线站采集并验证。该工作得到了韩国浦项加速器研究所(PAL)的Hyun-Joon Shin教授、加拿大光源(CLSWang Jian博士和加拿大阿尔伯塔大学 Zhang Xuehua 教授以及三个光源线站人员的大力帮助。得到了国家自然科学基金委,973项目和中国科学院的资助。 

 

1 纳米气泡的软X射线透射成像、近边吸收精细结构谱和内部气体密度估算。