固液界面纳米气层研究进展

方衡鑫，胡钧,3，张立娟,3*

1.中国科学院上海应用物理研究所

2.中国科学院大学

3.中国科学院上海高等研究院上海光源中心

研究表明，微观尺度上气体在固-液界面的聚集结构主要有纳米气泡和纳米气层。纳米气泡的形状类似球冠状，高度一般小于100 nm，横向尺寸为几十nm到几μm不等，一旦形成稳定性很高。而纳米气层在表面上以准二维气体层状结构存在，厚度一般只有数百pm到几nm，横向尺寸可以达到几μm[1-3]。纳米气层的稳定性一般低于纳米气泡。纳米气泡可以存在数小时到几个月，而纳米气层容易受温度和气体饱和度的影响，随着时间会消失或转变为纳米气泡。2007年胡钧研究团队通过原子力显微镜的轻敲模式（tapping mode of atomic force microscopy, TM-AFM）在高序热解石墨（highly oriented pyrolytic graphite, HOPG）表面上观察到了气体层状物（图1）[4]。轻敲模式是使用处于振动状态的探针针尖对样品表面进行敲击来获取其形貌等信息。图1(c)显示，气层高度为2 nm左右；而能够在一定程度上反映样品组分与力学性质的相位图〔图1（b)〕表明，这些层状结构不同于石墨基底；此外，通过脱气对照试验发现，这些层状物在脱气水中不易产生或逐渐消失[4]。在之后10多年的时间里，纳米气层相关研究逐渐涌现，主要集中在探究气层的基本性质与行为、理论解释、气层与纳米气泡之间的关系方面。但总的来说，针对纳米气层的研究进展尚处于初期阶段，仍缺乏高效的制备手段，解释其稳定性的理论研究也未充分展开。固-液界面气层在界面科学领域具有巨大的应用价值，一些研究表明它们的存在可能会增加界面滑移长度[5]、导致蛋白折叠[6]、促进气体水合物形核[7]、影响界面电化学反应[8-9]。然而，该领域研究中所面临的一系列挑战却阻碍了研究的发展以及后续技术的开发应用。本研究旨在梳理与论述迄今为止纳米气层研究中的一些重要进展，讨论其中备受关注的基本科学问题与挑战，并给出一些解决思路。

图1 石墨表面纳米气层及纳米气泡与气层共存物[4]Fig.1 Nano gas layer on graphite surface and coexistence of nano bubble and gas layer

1 纳米气层的性质

1.1 纳米气层与气体富集层

固液界面气态结构的系统性研究源于表面纳米气泡的发现。20世纪80年代，人们观察到2块中间夹有液体的疏水界面在分离过程中展现出阶段性长程作用力。当时推测是存在于疏水材料表面的微小气泡在拉伸过程中的桥连作用所致[10-11]。直到2000年左右，科学家才通过原子力显微技术发现了表面纳米气泡[12-13]。而实际上，除了长达数百nm的长程相互作用，疏水界面间还存在几～十几nm的较短的长程作用。有研究人员认为这种较短的长程作用就源自于覆盖在疏水表面的气体富集层。对此，Nguyen团队通过原子力显微技术（atomic force microscopy，AFM）力曲线（图 2）证明了在 HOPG 表面纳米气泡并非独自存在于基底上，而是周围普遍分布着气体层[14]。研究者利用醇水替换法[2]产生纳米气泡与气层，该方法是常温常压下界面气相结构研究中常用的制备方法，其主要是利用低溶气量的纯水替换高溶气量的醇类（一般是乙醇）在界面附近形成瞬时的气体过饱和度，从而产生气泡与气层。在加入一定量的表面活性剂后才能够通过针尖的机械力作用移除气层与气泡。此后，该团队也对气体含量不同的盐水以及充气与未充气水中疏水基底与球形针尖间的力曲线进行了分析，证明了气体富集层的存在以及对疏水界面吸引作用的影响[15]。

图2 醇水替换前后探针与样品相互作用力曲线及示意[14]Fig.2 Force curves and schematics of the tip interacted with samples before and after the ethanol-water exchange

Schlesinger等[16]的研究揭示了气体富集层的具体结构。他们利用改造的超高分辨频率调制原子力显微技术（frequency modulation of atomic force microscopy，FM-AFM）探测了不同气体饱和度水中疏水表面附近的气体富集层状态，并绘制了界面附近三维气体物质结构图（图3）。结果表明，疏水表面普遍存在高度为2～5 nm的气体富集层，富集层内部结构层的平均距离为0.5～0.8 nm，且这种气体富集层对水中气体溶解度的依赖性较弱。这一结果证明了疏水界面上普遍存在着气体富集层。此外，他们还依据针尖的振动频率变化信息拟合出了水分子密度相对于表面距离之间的关系，试验结果与分子动力学模拟的结果大致吻合。随着距离的增加，水分子密度逐步恢复到液相中的状态。这也表明气体富集层在气体密度上并非是均匀的，而是随着距离的增加由高密度逐渐向低密度衰减。当然，液体的含气量也决定了气体富集层的厚度。当前绝大多数纳米气层的表征都是由原子力显微技术完成的，这一技术的核心原理就是监测样品通过与探针针尖的相互作用对探针的振动参数的影响，再反演出样品的形貌、机械性能，甚至电磁性质。图3中的力梯度反映探针与样品作用过程中所受到的相互作用力与作用距离的关系，而能量耗散反映的是探针悬臂梁受到样品作用而产生的非弹性形变，其与样品的黏性相关。表征界面气层的气相聚集体需要该区域内的气体密度达到一定的阈值，使得气层与探针的相互作用能够区别于基底材料。因此，稀薄的气体富集层可能广泛存在于疏水材料表面，但能够被原子力显微镜观测到的应该是其中气体密度相对较高的区域。

图3 含气量不同的水中探针靠近石墨表面过程中的力梯度与能量耗散[16]Fig.3 The conservative force gradients and energy dissipation during the tip approach to the HOPG surface in water with different gas saturation

1.2 纳米气层的形核条件

虽然通过溶液替换在疏水表面能够观察到气层结构，但这并不是一种高效的气层制备方法，很难大量重复制备。想要找到一种可靠的纳米气层制备方法就必须要对气层的形核条件有深入的了解。

Seddon等[17]研究了溶液温度与含气量对纳米气层与界面纳米气泡成核的影响。结果表明在疏水化处理的硅片表面，纳米气层的形成需要比纳米气泡更高的溶液温度和含气量。Zhang等[18]选用可裂解层状材料硫化钼（MoS2）、滑石（3MgO·4SiO2·H2O）、HOPG、结晶化程度低的无定形碳，以及经过三甲基氯硅烷（TMCS）和十八烷基三氯硅烷（OTS）疏水修饰的硅片作为基底，研究了不同基底上纳米气层的生成情况。为对比表面粗糙度对气层形核的影响，对OTS修饰后的硅片表面进行了处理，获得了较为粗糙并含有分散颗粒的表面，还检测了水滴在各表面铺展时的前进接触角以及从表面离开时的后退接触角，以此展现各表面疏水性。之后，又观察对比了醇水替换后，各表面纳米气层与气泡的形核情况（表1）。结果表明，纳米气层的形成条件远比纳米气泡更为苛刻，除了表面的疏水性外，材料表面的平整度以及是否具有有序晶形都会决定气层的形核。

表1 不同基底材料表面接触角与界面气态结构形成情况[18-20]Table 1 Formation of interfacial gaseous states and contact angles of different substrates

相比于纳米气泡，纳米气层的形核对过饱和环境和基底性质的要求更高。目前，能够高效产生纳米气泡的方法并不适用于高效产生纳米气层。因此，非常有必要通过直接控制溶液过饱和度在平整的疏水表面产生适于气层形核生长的环境，寻找出能够高效生成可观察的纳米气层的成熟的方法。

1.3 纳米气层的力学性质

峰值力定量纳米力学技术（peak-force quantitative nano-mechanics, PF-QNM）是原子力显微技术中的一种直接力控制模式。其优点在于不仅可以测量材料的形态，还可以定量测量样品的硬度、黏附力和弹性模量等力学特性，同时具有较高的空间分辨率。通过这一技术，Zhao等[21]探究了浸没在去离子水与醇水混合液中的石墨材料 HOPG表面纳米气层的力学性质。结果发现，纳米气层的硬度明显大于纳米气泡，而且位于底部的气层的硬度明显大于上部气层（图4）。此外，研究还发现，气层的硬度和尺寸会随着溶液中乙醇浓度的提升而变小，这种由溶液组分导致的变化是可逆的。但由于其观察到的纳米气层的厚度大部分小于1 nm，针尖与样品作用的力程较短，通过力曲线拟合所得到的纳米气层的力学信息可能会被基底与针尖的相互作用所影响。

图4 石墨材料HOPG表面纳米气泡与纳米气层的硬度信息[21]Fig.4 Stiffness image of nanobubbles and nano gas layer on the HOPG surface

2 纳米气泡与纳米气层的共存系统

2.1 共存物的具体结构

顶部气泡与底部气层形成的界面气态的共存结构，是纳米气层最常见的存在形式。然而，仅通过原子力显微镜的形貌结果，很难探知气泡究竟是立于气层之上还是立于基底表面被气层环绕以及其内部的精确结构。而这一问题关系到要从怎样的角度去理解这种共存物的稳定性。Li等[22]利用TM-AFM表征了1块含有气泡与气层共存物的区域，通过改变输出振幅让针尖对气层与气泡的共存系统产生微扰。结果显示，原本围绕在气泡周围的气层消失，但气泡依然存在。由此认为纳米气泡是钉扎在基底表面，气层是环绕着气泡底部的，而并非立于气层之上。

然而，也有研究者基于对探针扰动下气层形态变化的观察得出不同结论。Zhang等[23]通过TMAFM观察到气层在扫描后中部逐渐隆起形成气泡，显然该结果无法用气泡钉扎在基底表面来解释，因为在气泡长大的过程中其三相线是随着气层的收缩发生滑移的。此外，Zhang等[23]在分析气层热稳定性的研究中展现了这些气态共存物间的奥斯瓦尔德熟化过程，即经过一段时间后相距较近的2个共存物合并，气层上气泡的位置也发生了改变。若气泡直接钉扎在基底表面，这些共存结构可能无法克服底部的钉扎作用而实现融合（图5）。

图5 石墨表面纳米气层逐渐演变成纳米气泡过程[23]Fig.5 The transformation from nano gas layers to nanobubbles on the HOPG surface

另一个需要思考的问题是气层与气泡间的结合能能否起到稳定气泡的作用。对于这一问题，目前还鲜见系统的研究成果报道。但如果将共存物作为一个整体，考虑其与外界的动态平衡有助于理解这个问题。Kimura等[24]将气层与气泡统筹考虑，将气层的存在引入纳米气泡动态平衡模型，解释了在溶液加热、冷却过程中2种不同的气泡与气层间的演变过程。先后将基底加热到45与70 ℃，在冷却后原位观察表面共存系统的变化情况，结果发现，有些共存系统消失，而有些出现气层收缩同时气泡膨胀。如图6所示，该研究推演了2个气层尺寸不同的共存物与环境间的物质交换平衡。N泡-液代表气体由气泡流入液相的净流量，N液-层代表气体由液相流入气层的净流量，N层-泡代表由气层进入气泡的气体净流量。若净流量为正，则代表规定方向气体流量增大。当3个方向的净值相等时，整个系统达到平衡状态。具备大面积的气层能够提供更大N液-层以维持气泡的膨胀。而面积小的气层，在加热时，气泡膨胀，N泡-液增大。但在随之而来的降温中，气层无法从液相中汲取足够的气体以补充气泡中的气体损失，即 N泡-液＞N液-层，最终导致小面积气层共存结构的消失。诚然，这种基于动态平衡理论进行的推导忽略了很多因素，如加热对于基底和液体性质的影响等，但其将气层、气泡以及液体环境统筹考虑有助于理解气泡与气层之间的相互转化过程。

图6 加热冷却过程中界面气态共存物的2种动态平衡演变 [24]Fig.6 Two evolutions of dynamic equilibrium of the interfacial gas coexistence during heating and cooling

2.2 气层对纳米气泡性质的影响

自表面纳米气泡发现以来，其一些违背经典物理理论的性质，如不可思议的长寿命[25-26]以及超大的润湿角[27-28]等一直吸引着界面科学领域研究者的关注。大量的研究关注于解释这些反常物性，提出并优化了许多理论模型[2,29-30]。作为一种常与纳米气泡相伴而生的气态结构，研究者曾用气层的存在来解释纳米气泡的稳定性。2012年，提出纳米气泡钉扎理论[31]与动态平衡模型[32]的Lohse教授利用基于伦纳德-琼斯流体理论的动力学模拟解释了界面纳米气泡的形成与接触角[33]。他们认为纳米气泡立于气层之上能为其提供足够强的气-固相互作用以保持稳定，且气泡奇特接触角的普遍性也与气层的存在有关。除理论推理外，有关气层对气泡稳定性的试验研究也有所进展。如Li等[34]利用TM-AFM验证了之前一项模拟研究[35]中提出的假设，即2个相邻的表面纳米气泡之间可能存在一个气体通道以此维持气泡的稳定性（图7），在上方纳米气泡相互作用下，2个纳米气泡之间的气层可以表现为一个可见的气体通道。通过对不同气体区域体积变化的统计分析，他们提出了广义气体通道的概念，并认为纳米气泡被一层水耗散层（疏水界面附近气体分子浓度较高的区域）所包围。这层水耗散层将沿着固体/液体表面形成通道，实现相邻的纳米气泡间的相互沟通。

图7 探针扰动界面气态结构（蓝色框内）对周边未受干扰的气态结构造成影响[34]Fig.7 Effects of the gas domains violently disturbed by the tip on their undisturbed neighbors

3 纳米气层的争议和未解之谜

3.1 纳米气层的气相真实性

通过原子力显微镜所观察到的纳米气层的厚度大多为几nm，有些气层的厚度甚至仅为0.2～0.3 nm[3,21,23]。目前在液体环境下先进的定性技术，如表面增强光谱、X射线衍射、核磁探测等几乎都不具备足够的轴向分辨率与化学灵敏度识别这一极薄的低密度物质层，无法为纳米气层的气相真实性提供直接有力证据。但在第一篇纳米气层的研究报告中Zhang等[4]就基于脱气对照对纳米气层的气态实质进行了评估。验证试验中使用预脱气的乙醇和水完成替换后产生的气层较正常情况要少。而且，将已生成层状物的体系整个放入脱气装置脱气一段时间后层状物消失。因此判断这些层状物本质上是气体在界面上的一种聚集结构。此后，纳米气层这一奇特的界面气态结构也被大多数研究者所接受。然而，在界面纳米气泡的真实性因“注射器硅油残留问题”而受到质疑后[36]，一些研究者也对研究相对较少的纳米气层产生了质疑。2015年，An等[37]在一篇关于疏水表面纳米气泡、纳米液滴与纳米气层的综述中指出，此前所观察到的纳米气层是因使用塑料注射器进行溶液替换试验而引入的污染物薄膜，并声称在使用玻璃注射器后其研究团队便再也没有观察到纳米气层。图8(a)与(b)展现了分别使用玻璃注射器与塑料注射器进行溶液替换并干燥石墨表面后的高度，可以发现使用塑料注射器的表面残留了大量不规则的层状结构，而使用玻璃注射器的表面并未发现层状结构。图8(c)呈现塑料注射器完成醇水替换后，浸没在水中的表面出现高约3.5 nm的卵形层状物。此外，文中还质疑纳米气层能够稳定存在的合理性，认为气体分子间范德华势所主导的作用力不足以抵抗气体分子的扩散使得气层保持稳定。类似观点在An研究团队近年的另一篇综述中被再次重申[1]。

图8 塑料注射器进行替换后石墨表面产生的层状物[37]Fig.8 The layers formed on the graphite surface after the exchange used plastic syringes

实际上，在2014年Berkelaar等[36]提出有关纳米气泡可能是硅油污染物的质疑前，在有关界面气态结构报告中很少明确指出使用溶液替换法时采用的究竟是玻璃的还是带有金属针头的塑料注射器。但在质疑提出之后的表面纳米气泡试验中研究者一般都会避免使用可能带有污染物的塑料注射器，并大量使用脱气对照来验证气泡的真实性。大量的原位脱气对照，以及通过傅里叶变换衰减全反射红外光谱技术、X射线显微技术所获得的谱学证据[38-39]，有力地证明了表面纳米气泡的气体真实性。使用脱气水替换后观察气泡收缩或消失的验证手段也被An等认同并使用[1,40]。最近，Fang等[41]通过使用玻璃注射器直接向HOPG表面注入气体过饱和水的方法生成了纳米气层，且在注入一定量的脱气水后，纳米气层全部消失(图9)。此外，通过力曲线特征能够区分气层与有机薄层，证实了气层的气态实质。Teshima等[42]也在注入脱气水后观察到一些纳米气层从表面消失，在气体不饱和的环境中纳米气层难以稳定存在，会溶解在水体中。虽然要彻底消除对于纳米气层真实性的质疑仍需要更加严格的对照评估以及直接的证据，但基于大量的可靠的观察以及大多数研究者的共识，这类质疑不应成为妨碍纳米气层相关研究发展的绊脚石。

图9 使用玻璃注射器注入气体过饱和水生成可用脱气水去除的纳米气层[41]Fig.9 The removable nano gas layers were produced by using glass syringes to inject gas supersaturated water

3.2 纳米气层的稳定性

同界面与体相纳米气泡一样，如何理解纳米气层的稳定性是相关研究中一个极为重要的问题。正如An等[37]提出的：缺少钉扎效应的“低密度”二维气体结构要如何在固液界面保持稳定？如果仅靠气体分子间的范德华相互作用力它们是如何抵抗气体扩散以及针尖扰动而保持稳定的呢？目前针对这些问题的研究并不充分。

Zhang等[20]曾讨论了纳米气层与纳米气泡稳定状态对于溶液气体饱和度的要求。由于气层的气液界面面积要大于气泡的气液界面，因此当醇水替换过程造成界面自由能耗散，或者说气层界面表面张力的下降要较气泡更加明显，再结合纳米气层无法存在于醇水溶液，但纳米气泡却可以存在的现象，推断出相比于纳米气泡实现纳米气层的稳定要求更大的过饱和度。而且，通过降低气体饱和度去除纳米气泡则比去除气层更难。后续的观测也支持了这一观点[17]。在低饱和度的水中纳米气泡能够维持稳定，但很难观察到纳米气层[43-44]。之后，Yasui等[45]将气泡内气体压力的不均匀性引入Brenner等[32]提出的动态平衡理论之中，改进后的模型认为由于范德华相互作用力的效果，气泡内部压力与其距界面的距离有关，距离越近的位置压力相对越大。在模型中纳米气泡的曲率是由其高度决定的，因此该模型允许接近二维结构的“气泡”存在，即纳米气层的存在在动态平衡理论体系中是合理的（图10）。这一结论与Schlesinger等[16]关于界面附近水密度的分析相契合。

图10 模拟20与50 ℃时亲水、疏水界面上的气层形态及单位面积气流量[45]Fig.10 The calculated shape and gas flux per unit area of nano gas layers on the hydrophilic or hydrophobic surface at 20 and 50 ℃

研究表明，疏水面上方的界面水的水密度并不均匀而是呈现多层结构。分子模拟结果以及力曲线的反演表明界面水中可能存在数个水合层[46-48]，水合层内水分子的结构性与密度均高于其他区域。Nguyen等[46]通过分子动力学模拟分析了亲水与疏水界面附近水分子网络结构性质，结果表明疏水界面附近的水分子网络结构有序度要高于体相中水分子网络。物质的结构决定其性质，这种结构有序度的改变必然会对界面附近水的物理性质造成影响，也可能影响到气体分子在其中的扩散行为。这些对于疏水表面附近气液界面结构以及气体分布的新见解可能为解释界面气层的稳定性提供了新思路。若将纳米气层与其所处的界面环境作为一个系统综合进行考虑，或许就离正确理解纳米气层的稳定性更近了一步。

3.3 纳米气层的结构有序性

大多数研究者在试验中观察到的纳米气层均为表面平整的一块区域。Lu等[49-50]利用FM-AFM，在浸入去离子水的石墨表面观察到具有结构周期的层状物质，并认为这些观察到的结构为有序的气层，进而开展了后续的研究工作。此后，他们又公布了利用FM-AFM与PF-QNM 2种模式在氧气和氮气过饱和水中观察到的气层与有序层状结构，并认为由于固-气分子间的相互作用要远大于气-气分子间的相互作用，因此在界面这样的小范围空间内气体分子会在相互作用下产生高密度聚集状态，再受到基底材料周期晶格结构的影响形成有序结构。试验结果还表明，针尖的强扰动会破坏这些有序结构，但在一段时间后它们又会重新构建。

关于水中的石墨表面观察到层状有序结构的发现并非孤例。Teshima等[42]通过高分辨率的频率调制原子力显微镜观察到特殊的气相多层结构（图11）。他们称在醇水替换的石墨表面观察到了由底部的有序气层结构，中间的无序气层以及最上层的可移动的纳米气层所构成气态物质体系。同时也观察到最上层的纳米气层会随探针的扫描方向而移动，而这种运动也会受到最下方有序气层结构的限制。然而，这一惊人的发现至今未获得学界的广泛认可。实际上，有研究表明长期暴露在空气中的石墨表面也会形成由污染物自组装的周期性有序结构[51]。这就更加深了对水中所观察到的有序结构是否是污染物的怀疑。

图11 醇水替换后HOPG表面产生的多重气层[42]Fig.11 Multiple gas layers on the HOPG surface after the ethanol-water exchange

4 纳米气层技术的应用前景

气体水合物的形成与生长是较早考虑到疏水界面气体富集影响的热门领域之一。研究者们很早就发现了相较于亲水结构，疏水表面更容易发生气体水合物形核，但其中的微观机制不清晰。Nguyen等[46]通过将疏水界面气体富集存在以及界面水更高的结构有序度考虑进这一反应过程，从而成功地解释了这一现象。由此可见，考虑纳米气层的存在能在微观层面更好地理解一些界面反应中的现象，如发生在疏水界面的盐析反应同样具备类似的反应场景。许多试图将溶剂中的溶质析出并吸附到界面上的技术都会借助加入盐离子来改变水化环境，溶质可能包括聚合物[52]、金属氧化物[53]、二氧化碳[54]等。这些盐析反应涉及表面改性、电极材料制备、温室气体分离收集等重要技术。以往的研究中极少考虑到疏水界面附近的气体富集以及界面水性质对盐析动力学和吸附过程的影响。而通过对界面气体富集层进行调节是否能增加调控该类反应的一个维度，未来相关的研究成果令人期待。

气层的存在也可能对一些发生在固液界面上的化学反应产生影响，如氧化还原反应等。在一些极端环境下，气体的存在也会影响一些材料的功能与使用寿命[55-56]。Ou等[57-]研究了铝制基底上超疏水材料的抗腐蚀保护与静水压力之间的关系，发现随着静水压力的增大，铝制基底被腐蚀的情况加剧。此前，也有研究认为超疏水材料表面包裹的气体起到了屏障作用，能够保护固体基底不受腐蚀物质的侵蚀[58]。而静水压力的增大，会将疏水界面上气体挤出从而削弱材料的抗腐蚀性。这一研究对于深海潜水设备的抗腐蚀技术具有重要意义。气层对控制材料在水下的氧化反应方面也有应用潜力。

此外，电化学反应也是一类合适的应用场景，尤其是气体扩散电极这种包含气、固、液三相体系的膜电极。目前，这种电极也被大量运用在二氧化碳电化学还原的技术之中，相关研究也正如火如荼地进行着[59-61]。而纳米气层技术可能会在理解此类反应的微观机制，以及之后的技术优化中起到重要作用。

5 总结与展望

界面纳米气层的相关研究已持续十多年，透过上述已有成果的概述，了解到该领域所关切的重要科学问题以及相关研究进展。但从研究的数量与深度来看，纳米气层的相关研究仍处于初期阶段，一些重要问题尚未得到充分的讨论。据Web of Science文献搜索平台的数据显示，仅2021年主题与表面纳米气泡相关的文献和专利就有184篇，而至今主题与纳米气层相关的文献不足40篇。纳米气层与纳米气泡作为2种常见的界面气态结构，在研究热度上存在数量级上的差距。

界面纳米气层发展首要的阻碍来自于缺乏高效的制备手段和检测技术。尽管研究者已认识到气层不同于纳米气泡的成核条件，但学界对于纳米气层的成核与生长的动力学过程以及稳定机理还未形成完善的理论模型。此外，试验手段匮乏也同时制约了对气层基本性质的进一步了解。要打破目前面临的研究困境，需要开发出能够高效制备可观测纳米气层的标准方法，尽可能使其在先进的试验技术平台上被大量制备并研究，如同步辐射掠入射X射线衍射、表面增强拉曼散射等技术。

而在应用前景上，气层在疏水表面的广泛存在决定了纳米气层技术具备巨大的应用潜力，其存在可能对一些重要的界面反应有着不可忽视的影响，如气体水合物的形成、盐析反应、水下氧化反应等。此外，更重要的是在“碳平衡-碳循环”上升到国家战略的今天，未来纳米气层的研究能够在温室气体储存及后续转换再利用的技术突破上提供基础支撑，如二氧化碳在水中相转变及通过化学反应转化为可燃气体等方面，将助力“碳达峰”与“碳中和”国家战略目标的如期完成。