The aim of this paper is to quantitatively characterize the appearance, stability, density, and shape of surface nanobubbles on hydrophobic surfaces under varying conditions such as temperature and temperature variation, gas type and concentration, surfactants, and surface treatment. The method we adopt is atomic force microscopy (AFM) operated in the tapping mode. In particular, we show (i) that nanobubbles can slide along grooves under the influence of the AFM tip, (ii) that nanobubbles can spontaneously form by substrate heating, allowing for a comparison of the surface topology with and without the nanobubble, (iii) that a water temperature increase leads to a drastic increase in the nanobubble density, (iv) that pressurizing the water with CO2 also leads to a larger nanobubble density, but typically to smaller nanobubbles, (v) that alcohol-cleaning of the surface is crucial for the formation of surface nanobubbles, (vi) that adding 2-butanol as surfactant leads to considerably smaller surface nanobubbles, and (vii) that flushing water over alcohol-covered surfaces strongly enhances the formation of surface nanobubbles.

Shock wave induced cavitation experiments and atomic force microscopy measurements of flat polyamide and hydrophobized silicon surfaces immersed in water are performed. It is shown that surface nanobubbles, present on these surfaces, do not act as nucleation sites for cavitation bubbles, in contrast to the expectation. This implies that surface nanobubbles are not just stable under ambient conditions but also under enormous reduction of the liquid pressure down to −6MPa. We denote this feature as superstability.

Molecular dynamics simulations of Lennard-Jones systems are performed to study the effects of dissolved gas on liquid-wall and liquid-gas interfaces. Gas enrichment at walls, which for hydrophobic walls can exceed more than 2 orders of magnitude when compared to the gas density in the bulk liquid, is observed. As a consequence, the liquid structure close to the wall is considerably modified, leading to an enhanced wall slip. At liquid-gas interfaces gas enrichment which reduces the surface tension is found.

We report experimental and numerical investigations on the dynamics of the cavitation of bubbles on a solid surface and the interaction between them with the help of controlled cavitation nuclei: hemispherical bubbles are nucleated from hydrophobic microcavities that act as gas traps when the substrate is immersed in water. The expansion of these nuclei is triggered by an impulsive lowering of the liquid pressure. The patterning of the substrate allows us to control the number of bubbles and the distance between them. Each hemispherical bubble experiences the effect of its mirror image. Correspondingly, an isolated hemispherical bubble together with its mirror image behaves like a free spherical bubble, i.e., its dynamics is well described by the Rayleigh-Plesset equation. We employ the setup to study the dynamics of two and more bubbles in a row at controlled and fixed distances from each other. For weak interaction, namely when the maximum size of the bubbles is smaller than the bubble distance, the dynamics of the system is well captured by an extended Rayleigh-Plesset equation, where mutual pressure coupling through sound emission is included. Bubble pairs last longer than an isolated bubble as neighboring bubbles modify the surrounding pressure and screen each other. For strong interaction, obtained by increasing the tensile stress or decreasing the bubble distance, the bubbles eventually flatten and form a liquid film between each other which can rupture, leading to coalescence. The film thinning is inertia dominated. A potential flow boundary integral simulation captures the overall shape evolution of the bubbles, including the formation of jets horizontal to the wall. These horizontal jets are caused by symmetry breaking due to the neighboring bubbles.

В последние годы, многочисленные эксперимен-ты показали существование наноскопических мягких доменов на поверхности раздела жидкость -твердое тело, смотрите работы [1 -10] и ссылки к ним. В большинстве экспериментов используют атомную силовую микроскопию (АСМ) [1 -8], но и другие методы [9, 10] также использовались. Самое после-довательное толкование этих экспериментов то, что мягкими доменами, которые походят на сегмент сферы с высотой порядка 10 нм и диаметром порядка 100 нм, являются так называемые поверхностные нано-пузырьки, т.е. наноразмерные пузыри газа располо-женные на поверхности раздела жидкость -твердое тело. Эта утверждение, к примеру, подтверждается тем фактом, что нанопузырьки могут слиться от воз-действия наконечника АСМ и сформировать более большой пузырь [2], или тем, что они исчезают при дегазировании жидкости [6,7,9], или зависимостью плотности нанопузырьков** от концентрации газа в жидкости [8].Поверхностные нанопузырьки -загадочные объ-екты. Во-первых, они не должны существовать: соглас-но экспериментальным данным эти пузыри имеют радиус кривизны R порядка 100 нм, и поэтому (из-за большого Лапласова давления внутри пузырей) они должны раствориться в течении времени значитель-но меньше 1 секунды [11, 12]. Однако эксперименты показывают, что нанопузырьки стабильны в течение часов. Во-вторых, их наличие позволяет объяснить различные явления, связанные с поверхностью раз-дела жидкость-твердое тело, такие как проскальзыва-ние жидкости [13 -15] или аномальное притяжение гидрофобных поверхностей [1] в воде. В дополнение отметим, что неоднородная кавитация обычно начи-нается с газообразных зародышей на твердых поверх-ностях (см.[16] и ссылки к ней), и нанопузырьки могут служить подобными центрами кавитации [7,17, 18]. Однако, за редким исключением, убедительных экспериментальных данных существования и ста-бильности нанопузырьков, все еще мало. Например, неизвестно почему они практически стабильны или как они реагируют на происходящие в окружающей среде изменения?В настоящей работе показано, что поверхностные нанопузырьки, вопреки ожиданиям, не действуют как центры кавитации индуцированной ударной волной на поверхностях, при которой в воде соз-даются большие растягивающие напряжения. Это, еще одна загадка в парадоксе нанопузырька: Они стабильны не только при нормальных условиях, но также и при огромном уменьшении давления воды вплоть до -6 МПа. Мы назвали это свойство нанопу-зырьков суперстабильностью.Для того, чтобы продемонстрировать суперстабиль-ность нанопузырьков, мы совместили эксперименты по кавитации с измерениями на АСМ. Были проведе-ны точно выполненные эксперименты по кавитации (подобно [18 -20]) на различных гидрофобных под-ложках, погруженных в воду: при этом ударная волна в воде производит большое растягивающее напряже-ние (≈ -6 МПа), приводящее к кавитации на подлож-ках. Размер пузырей кавитации порядка несколько сот нм. Таким образом, хотя пузыри возникают из более малых зародышей, они могут быть визуализированы оптическими устройствами. В дополнение, измерения АСМ этих же подложе...