Ultrahigh Density of Gas Molecules Confined in Surface Nanobubbles in Ambient Water

化学 化学物理 分子 过饱和度 纳米尺度 氧气 同步加速器 分子动力学 吸收(声学) 溶解度 纳米技术 化学工程 物理化学 计算化学 光学 材料科学 有机化学 物理 工程类
作者
Limin Zhou,Xingya Wang,Hyun‐Joon Shin,Jian Wang,Renzhong Tai,Xuehua Zhang,Haiping Fang,Wei Xiao,Lei Wang,Chunlei Wang,Xingyu Gao,Jun Hu,Lijuan Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (12): 5583-5593 被引量:130
标识
DOI:10.1021/jacs.9b11303
摘要

To understand the unexpected and puzzling long-term stability of nanoscale gas bubbles, it is crucial to probe their nature and intrinsic properties. We report herein synchrotron-based scanning transmission X-ray microscopy (STXM) evidence of highly condensed oxygen gas molecules trapped as surface nanobubbles. Remarkably, the analysis of absorption spectra of a single nanobubble revealed that the oxygen density inside was 1–2 orders of magnitude higher than that in atmospheric pressure, and these bubbles were found in a highly saturated liquid environment with the estimated oxygen concentration to be hundreds of times higher than the known oxygen solubility in equilibrium. Molecular dynamics simulations were performed to investigate the stability of surface nanobubbles on a heterogeneous substrate in gas-oversaturated water. These results indicated that gas molecules within confinement such as the nanobubbles could maintain a dense state instead of the ideal gas state, as long as their surrounding liquid is supersaturated. Our findings should help explain the surprisingly long lifetime of the nanobubbles and shed light on nanoscale gas aggregation behaviors.
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