利用液相透射電子顯微鏡技術研究納米氣泡在表面活性劑水溶液中的動力機制

Yuna Bae , Sungsu Kang , Byung Hyo Kim ,d, Kitaek Lim , Sungho Jeon , Sangdeok Shim , Won Chul Lee ,*, Jungwon Park ,*

a School of Chemical and Biological Engineering, and Institute of Chemical Processes, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea

b Center for Nanoparticle Research, Institute of Basic Science (IBS), Seoul 08826, Republic of Korea

c Department of Mechanical Engineering, BK21 FOUR ERICA-ACE Center, Hanyang University, Ansan 15588, Republic of Korea

d Department of Organic Materials and Fiber Engineering, Soongsil University, Seoul 06978, Republic of Korea

e Department of Chemistry, Sunchon National University, Suncheon 57922, Republic of Korea

1. 引言

納米氣泡具有廣泛的工業(yè)應用價值，如表面清潔[1]、水處理[2-4]和生物醫(yī)學研究[5,6]，這主要得益于其在固體基質(zhì)和液體介質(zhì)中具有顯著的長期穩(wěn)定性[7-9]。在經(jīng)典熱力學中，普遍認為氣泡會在數(shù)微秒內(nèi)迅速收縮，因為它們的尺寸接近納米級，由于內(nèi)部拉普拉斯壓力太高，無法阻止氣泡內(nèi)氣體向外擴散[10,11]。盡管如此，不同的實驗方法，如原子力顯微鏡（AFM）和冷凍電子顯微鏡（cryo-EM），已被用來證實納米氣泡長期穩(wěn)定性的存在和起源[12-15]。這些研究結(jié)果表明，由于三相接觸線的釘扎效應，納米氣泡在表面上的穩(wěn)定性顯著增強[16-18]。

預計可通過控制其界面化學性質(zhì)來主動控制納米氣泡的大小和穩(wěn)定性。類似于微米級及以上的流體界面的情況[19-21]，表面活性劑添加劑的選擇會影響界面邊界的不同化學結(jié)構(gòu)和表面電荷狀態(tài)，從而改變納米氣泡的壽命和納米氣泡間的相互作用[22]。計算模擬表明，添加兩親性或不溶性表面活性劑會干擾釘扎過程并降低表面張力，從而降低納米氣泡的穩(wěn)定性[23]。相反，陰離子表面活性劑在納米氣泡上產(chǎn)生表面電荷，促進靜電穩(wěn)定，同時抑制納米氣泡融合[24]。

液相透射電子顯微鏡（TEM）實現(xiàn)了納米級空間分辨率，可對液體環(huán)境中發(fā)生的化學和物理過程進行原位可視化[25-28]。因此，液相TEM最近被用于實時和實空間觀察氣-液界面的變化以及純水和蛋白質(zhì)溶液中納米氣泡的行為[29-33]。研究了電子束誘導輻解和氣泡間氣體輸運產(chǎn)生的納米氣泡的形成[34]。此外，微觀結(jié)果表明純水中存在穩(wěn)定納米氣泡的臨界半徑[35]。本文中，我們使用多室石墨烯液體池TEM研究了水溶液中負載表面活性劑的納米氣泡的動態(tài)現(xiàn)象，其中在多次原位觀察期間，封裝溶液樣品的化學條件得到了可靠維持。

2. 材料與方法

2.1. 多室石墨烯液體池的制備

如我們先前的研究[36]中所得出的，通過在兩個石墨烯片之間組裝多孔陽極氧化鋁（AAO）膜來制備石墨烯覆蓋的高度有序納米室陣列。首先，制備了一組石墨烯轉(zhuǎn)移的TEM網(wǎng)格，用作上下石墨烯窗口[37]。將孔徑為80 nm、孔間距為125 nm、厚度為50 nm的AAO膜[置于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底上]切割成適合TEM網(wǎng)格內(nèi)正方形尺寸的大小。將一滴水滴到制備好的石墨烯轉(zhuǎn)移網(wǎng)格上，并將方形AAO膜沿暴露的AAO表面面向液滴的方向放置在該網(wǎng)格上。在70 ℃的烘箱中干燥組裝好的網(wǎng)格5 min后，AAO膜通過范德華相互作用附著到石墨烯片上。將組裝好的網(wǎng)格浸入丙酮浴中4 h，以去除支撐AAO膜的PMMA基底，從而在底部網(wǎng)格上產(chǎn)生納米井狀陣列。將0.5 μL液體樣品裝載到所制備的納米井狀陣列上，然后用另一個石墨烯轉(zhuǎn)移網(wǎng)格覆蓋該陣列以構(gòu)建多室液體池。每個構(gòu)建在液體池上的圓柱形納米室由納米孔和封裝液體樣品的頂部/底部石墨烯片組成。在本研究中，將十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）的3.75 mmol·L-1水溶液用作液體樣品。還向液體樣品中加入了2.5 mmol·L-1氯金酸溶液，因為這種酸溶液還原形成金納米粒子可用作電子束輻照期間液體成功封裝的指示劑。應注意的是，在遠離金納米粒子的區(qū)域?qū)d有表面活性劑的納米氣泡進行了原位觀察。多室石墨烯液體池可提高液體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并確保液體樣品以規(guī)定的尺寸和體積封裝，從而在觀察期間產(chǎn)生可靠的流體力學特性。此外，納米腔具有穩(wěn)定和足夠的空間，使得在受石墨烯或受環(huán)境限制產(chǎn)生微弱擾動時觀察大尺寸納米氣泡的動力學現(xiàn)象成為可能。

2.2. TEM分析

我們通過液相TEM觀察了表面活性劑水溶液中的納米氣泡，并制作了多室石墨烯液體池（見附錄A中的視頻S1～5）。用JEM-2100F（JEOL Ltd., Japan）儀器對納米氣泡成像，該儀器在200 kV下運行，并配有Ultrascan 1000 XP CCP檢測器（Gatan, Ⅰnc., USA）。原位TEM視頻的錄制速率為7.5 fps（每秒傳輸幀數(shù)）。電子束的劑量率始終保持在1800～2000 e·?-2·s-1。在電子束輻照下，通過電子束輻解過程產(chǎn)生小于50 nm的納米氣泡。

3. 結(jié)果和討論

3.1. 納米氣泡的穩(wěn)定性——表面活性劑的影響

可以在原位TEM圖像中清楚地識別納米室中的納米氣泡（見附錄A中的視頻S1）。在圖1（a）中，具有明反襯的圓圈和具有暗反襯的周圍區(qū)域分別清楚地指示納米氣泡和液體介質(zhì)。如圖1（a）中的第一個TEM圖像所示，產(chǎn)生了不同尺寸納米氣泡，范圍從大約5 nm到大約30 nm。根據(jù)納米氣泡在納米腔中的位置，納米氣泡可以分為兩種不同的類型：表面納米氣泡位于AAO壁附近，傾向于吸附在AAO孔的內(nèi)表面上，而大尺寸納米氣泡位于液體介質(zhì)的中間，無表面吸附。一般來說，納米氣泡的存在遵循楊-拉普拉斯方程；也就是說，氣泡的內(nèi)部壓力（Pin）平衡了來自周圍流體的壓力（Pout）和由表面張力（γ）產(chǎn)生的壓力之和，如圖1（b）所示。納米氣泡的TEM圖像（以時間序列排列）[圖1（a）]顯示了兩種不同類型的納米氣泡的相對穩(wěn)定性。表面納米氣泡通常比大尺寸納米氣泡更大，并且表現(xiàn)出更長的壽命。相比之下，大部分大尺寸納米氣泡為球形，并且小尺寸納米氣泡隨著時間推移繼續(xù)收縮，如圖1（a）所示。根據(jù)TEM圖像（以時間序列排列），測得收縮的大尺寸納米氣泡的平均直徑約為6 nm；0和26 s時的納米氣泡直徑直方圖中也有顯示[圖1（c）和（d）]。據(jù)報道，純水中穩(wěn)定納米氣泡的臨界半徑為(6.3 ± 0.8) nm [35]，大約是我們在CTAB水溶液中觀察到的值的兩倍。這一結(jié)果可能是由CTAB溶液的表面張力（33.59 mN·m-1）明顯低于純水的表面張力（72.8 mN·m-1）[29,32,38]所造成，這意味著液體介質(zhì)中的表面活性劑可以在含氣氣泡和周圍液體之間形成一層膜，從而穩(wěn)定納米氣泡的氣-液界面[22,24]。此外，由于CTAB的吸附層，足量的CTAB分子（陽離子表面活性劑）的存在可能導致納米氣泡帶正電荷，從而可能通過靜電壓力穩(wěn)定納米氣泡[22]。

3.2. 通過納米氣泡之間界面區(qū)域的氣體傳輸

圖1. （a）顯示納米室中納米氣泡的TEM圖像（以時間序列排列）；（b）CTAB水溶液中納米氣泡的圖示；納米氣泡在0 s（c）和26 s（d）時的尺寸分布，如（a）部分所示。CTA+：十六烷基三甲基銨；r：半徑。

圖2. （a）顯示兩個納米氣泡之間直接氣體傳輸?shù)腡EM圖像（以時間序列排列）；（b）兩個納米氣泡邊界輪廓的時間軌跡；兩個被跟蹤的納米氣泡的面積（c）和圓度（d）隨時間的變化；（e）兩個納米氣泡邊界之間的跟蹤間距。

我們研究了載有表面活性劑的納米氣泡在相互非常接近時的相互作用和氣體傳輸行為。在從微米到納米尺度的典型氣泡系統(tǒng)中，兩個相互作用的氣泡根據(jù)其相對接近速率、接觸時間和周圍流體的黏度而相互融合或排斥[39,40]。通過兩個氣泡的界面發(fā)生破壞而產(chǎn)生融合事件，這會導致形成頸區(qū)，氣體通過該頸區(qū)在兩個氣泡之間遷移。對于純水中的納米氣泡，也觀察到了這類事件，包括氣體輸送和隨后的融合[34,35]。然而，載有表面活性劑的納米氣泡表現(xiàn)出不同的行為。我們在本次研究中觀察到的兩個納米氣泡并沒有形成氣體傳輸?shù)念i區(qū)，而是在進行主動氣體傳輸?shù)耐瑫r以一個狹窄的氣泡間距保持在彼此的附近，如圖2（a）和附錄A中的視頻S2所示。追蹤兩個納米氣泡的輪廓和投影面積[圖2（b）和（c）]顯示了在6 s的時間間隔內(nèi)從NB1到NB2的快速氣體傳輸。氣體傳輸?shù)姆较蛴蓛蓚€納米氣泡的不同拉普拉斯壓力決定，這與它們的曲率半徑成反比。氣體從具有高內(nèi)壓（較小尺寸）的NB1移動到具有低內(nèi)壓（較大尺寸）的NB2。由于這種氣體傳輸，NB1收縮，NB2增長，類似于奧斯特瓦爾德熟化過程。同時，兩個納米氣泡之間的界面區(qū)域沿與氣體傳輸方向相反的方向移動[圖2（b）]，這可能是在通過被傳輸?shù)臍怏w分子傳遞動能的過程中，由原始固-液-氣三相接觸線釘扎破壞所造成。我們還在兩個納米氣泡的二維（2D）投影圖像中測量了它們的圓度。雖然兩個納米氣泡的尺寸在氣體傳輸過程中發(fā)生了變化，但它們的圓度值保持在0.9左右，這意味著它們的形狀保持球形，如圖2（d）所示。在純水系統(tǒng)中，也觀察到納米氣泡在氣體傳輸過程中保持圓形，這種情況下，氣體傳輸通過超薄水膜進行[35]。如圖2（e）所示，載有表面活性劑的納米氣泡有一個有趣的特征：它們的表面不完全接觸，在氣體傳輸過程中保持(0.91 ± 0.045) nm的間距。表面活性劑分子的剛性結(jié)構(gòu)沿兩個納米氣泡的邊界及其帶正電荷的表面堆積，這可能阻止了完全融合，并保持了小于1 nm的窄間隙。在這個狹窄的區(qū)域中很難保持整體液體結(jié)構(gòu)，這導致局部液體介質(zhì)具有較低的密度，氣體分子可以通過該介質(zhì)傳輸。隨著納米氣泡表面分離，氣體傳輸最終停止[在(t0+ 20) s之后，其中t0是氣泡間距離小于1.5 nm的時間]。

普遍觀察到的結(jié)果是，相互作用的載有表面活性劑的納米氣泡在很長一段時間內(nèi)以一個狹窄的間隙保持在非常接近的位置。圖3（a）和附錄A中的視頻S3展示了另一個示例，說明納米氣泡（NB1和NB2）之間類似的相互作用和氣體傳輸。有趣的是，在長時間穩(wěn)定氣體傳輸后，當NB1和NB2的邊界發(fā)生物理接觸時，它們會迅速融合[圖3（b）]。兩個納米氣泡的跟蹤輪廓和投影面積[圖3（c）和（d）]表明氣體在最初的1.1 s [從(t0+ 12.6) s到(t0+ 13.7) s]內(nèi)從較小的NB1傳輸?shù)捷^大的NB2。隨著氣體從小納米氣泡流向大納米氣泡，小NB1不斷收縮，而大NB2不斷增長。在氣體傳輸過程中，兩個納米氣泡保持球形，圓度約為0.9，如圖3（e）所示。當兩個納米氣泡之間的間距非常接近（低于0.5 nm）時，其界面波動的影響變得顯著，氣-液界面被部分破壞，納米氣泡開始融合[圖3（b）]。融合后，融合的納米氣泡的氣-液界面迅速松弛[圖3（f）]，納米氣泡在1.5 s內(nèi)演變成圓度約為0.9的球形[圖3（e）]。

3.3. 由平坦邊界形成的氣-液界面變形

圖3. TEM圖像（以時間序列排列）表明兩個納米氣泡之間的直接氣體傳輸（a）和它們的融合過程（b）；（c）兩個納米氣泡邊界的輪廓；（d）兩個納米氣泡面積隨時間的變化；（e）融合前后納米氣泡的跟蹤圓度；（f）融合的納米氣泡邊界的局部放大輪廓。

圖4中所示的兩個納米氣泡也在延長的6 s時間內(nèi)保持穩(wěn)定間隙，這與圖2、圖3和附錄A中的視頻S4所示的情況一致。當納米氣泡最終融合時，融合的納米氣泡呈現(xiàn)非球形，具有凹面。如圖4（a）和附錄A中的視頻S5 [41]所示，隨著凹面界面松弛，在受限空間內(nèi)形成橢圓形納米氣泡。融合的納米氣泡保持穩(wěn)定的橢圓形。該納米氣泡有一個平坦的氣-液界面，很容易在周圍涌入的液體流影響下發(fā)生變形。圖4（c）中所示的彩色虛線表示變形的氣-液界面波動。圖4（b）中TEM圖像（以時間序列排列）顯示，從橢球形納米氣泡的塌縮平界面產(chǎn)生了大量超小納米氣泡。當界面曲率在某一時刻變得凸起時，同時納米氣泡的界面在體相中存在小氣泡的情況下波動，氣-液界面會瞬時穩(wěn)定，如圖4（b）所示。在具有凸界面的納米氣泡的情況下，因為界面曲率半徑以納米計，所以界面處的內(nèi)部壓力足以平衡來自周圍液體流的壓力[圖4（d）]。相反，平界面的內(nèi)部壓力與周圍液體流的壓力相當，這可以促進氣-液界面發(fā)生變形。此時，如圖4（e）所示，在電子束輻照下，不穩(wěn)定的氣-液界面很容易產(chǎn)生細小的納米氣泡。產(chǎn)生的納米氣泡的尺寸大多小于穩(wěn)定納米氣泡的臨界尺寸，因此，產(chǎn)生的納米氣泡往往會迅速失去穩(wěn)定性并溶解。

3.4. 電子束和化學條件對納米氣泡的影響

在TEM觀察期間，由電子束引起的水的輻解反應可產(chǎn)生納米氣泡[31,42]。由于電子束在氣-液界面的高度散射，產(chǎn)生的納米氣泡的穩(wěn)定性可能會降低。然而，我們認為石墨烯窗口的使用可能有助于避免對觀察產(chǎn)生不必要的影響，因為石墨烯與其他具有SiNx窗口的傳統(tǒng)液體池相比，減少電子束效應或損傷以及清除活性自由基物質(zhì)的能力更強[43,44]。其他團隊最近發(fā)表的研究報告稱，在低酸堿度或鹽溶液中，大尺寸納米氣泡的穩(wěn)定性較差[45,46]。受觀察系統(tǒng)的pH值約為2.16，系統(tǒng)中存在的各種鹽可能會影響納米氣泡的穩(wěn)定性。然而，如圖1所示，表面活性劑似乎是小納米氣泡穩(wěn)定性的主要影響因素。

圖4. （a）顯示納米氣泡融合和界面弛豫過程（以時間序列排列）的TEM圖像；（b）顯示氣-液界面變形和不穩(wěn)定界面產(chǎn)生納米氣泡的TEM圖像（以時間序列排列）；（c）變形氣-液界面波動的放大輪廓；說明納米氣泡的界面穩(wěn)定性取決于其曲率的示意圖：橢球形納米氣泡的凸界面（d）和平界面（e）。r：曲率半徑。

4. 結(jié)論

總之，我們使用多室石墨烯液體池對液相中載有表面活性劑的納米氣泡進行了TEM觀察。我們研究了納米氣泡內(nèi)部動力學特性，包括直接氣體傳輸和融合過程。我們的結(jié)果表明，在發(fā)生穩(wěn)定氣體傳輸?shù)妮^長時間內(nèi)，載有表面活性劑的相互作用納米氣泡之間保持有一定的距離，而不是在界面破裂后發(fā)生融合過程。納米氣泡的實時TEM觀察結(jié)果還顯示，隨著曲率的減小，納米氣泡界面的穩(wěn)定性降低。我們基于原位液相TEM的研究為納米級氣泡的流體動力學提供了物理見解。本文中介紹的實驗方法可以擴展到其他系統(tǒng)，包括泡沫/乳液穩(wěn)定、聲空化、聲化學、水處理和可編程藥物/基因遞送，從而為其應用提供物理視角。

Acknowledgements

Yuna Bae, Sungsu Kang, Byung Hyo Kim, and Jungwon Park acknowledge the financial support from the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korean government (Ministry of Science and ⅠCT; NRF-2017R1A5A1015365), Creative-Pioneering Researchers Program through Seoul National University (2020), the Ⅰnterdisciplinary Research Ⅰnitiatives Programs by College of Engineering and College of Medicine, Seoul National University, and the POSCO Science Fellowship of POSCO TJ Park Foundation. Kitaek Lim, Sungho Jeon, and Won Chul Lee acknowledge the support from the NRF funded by the Ministry of Education (2019R1F1A1059099 and 2020R1F1A1065856) and the support from the research fund of Hanyang University (HY-2018-N).

Compliance with ethics guidelines

Yuna Bae, Sungsu Kang, Byung Hyo Kim, Kitaek Lim, Sungho Jeon, Sangdeok Shim, Won Chul Lee, and Jungwon Park declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

Appendix A. Supplementary data

Supplementary data to this article can be found online at https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.02.006.