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納米氣泡研究是一個新興研究領域。近年來，微/納米氣泡技術被視為一項顛覆性的創新技術并得到不斷發展，在水體綠色修復、水產養殖、農業種植，礦物高效浮選和健康養生等領域已有諸多成功案例。鑒于其廣泛的應用前景，我國于2018和2019年相繼成立中國顆粒學會微納米氣泡專業委員會和全國微細氣泡技術標準化技術委員會。
目前，“反常的界面潤濕行為和超高穩定性”這一納米氣泡基本科學問題還未得到合理解釋，獲知納米氣泡內部氣體的化學組分和存在狀態是理解該問題的關鍵之一。近日，中國科學院上海高等研究院上海光源科學中心和上海應用物理研究所等合作，利用同步輻射軟X射線吸收譜學和顯微技術揭示納米氣泡內部氣體以一種高密度狀態存在。
該研究通過軟X-射線透射成像技術（STXM）對電解水方法產生的氧氣納米氣泡進行測量，首次獲得單個納米氣泡的軟X射線吸收譜，進一步分析氣泡內部和其周圍水環境的近邊精細結構吸收譜，確認了納米氣泡內部的氣體分子呈現出一種新奇的“聚集態（dense gas）”，其密度高出空氣密度(1.25kg/m3)的幾十倍以上，在X射線的照射下也呈現出超常的穩定性；納米氣泡周圍水環境中的氣體濃度同樣超過熱力學平衡下的飽和濃度數十甚至上百倍，這顯示在一個受限空間下的疏水表面附近，氣體分子的聚集行為異于常理。該研究還采用分子動力學模擬對高密度納米氣泡的生成和穩定機制進行了探討。
該研究團隊曾于2008年分別通過理論解析和MD模擬預測，如果納米氣泡內部是高密度，它的壽命將大大增加（Science in China Series G: Physics, Mechanics & Astronomy 2008, 51, 219-224；Chinese Physics B 2008, 17(7), 2646-2654）。此次研究首次實驗證明納米氣泡內部可能存在高密度，有助于從分子水平上解釋納米氣泡的超高穩定性，充分理解其在各個領域中應用的相關效應。
相關成果以Ultra-high Density of Gas Molecules Confined in Surface Nanobubbles in Ambient Water為題在線發表于《美國化學會志》。上海光源科學中心周利民、王興亞為論文共同第一作者，上海高研院、上海應物所胡鈞、高興宇和張立娟為共同通訊作者。實驗數據分別在上海光源軟X射線譜學顯微線站，韓國浦項光源10A線站和加拿大光源SM線站采集并驗證。該研究得到韓國浦項加速器研究所、加拿大光源和加拿大阿爾伯塔大學幫助，以及國家自然科學基金委、國家重點基礎研究發展計劃和中科院資助。
納米氣泡的軟X射線透射成像、近邊吸收精細結構譜和內部氣體密度估算
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