固液界面纳米气泡的研究-凝聚态物理专业论文.docxVIP

上海交通大学博士论文同液界面纳米气泡的研究固液界面纳米气泡的研究摘要水是我们居住的这个星球上最常见的液体，实际上它具有太多的奇特之处而人们目前远远没有完全了解它。在水的研究中，界面水的性质一直是一个热点和难点，固．水界面纳米气泡的存在使界面水的行为更加扑朔迷离。固液界面存在纳米气泡的推测来自于表面疏水长程引力作用机制的研究。首先表面力装置的测定结果将疏水作用与固液界面可能存在微小的气泡联系起来。然后，胶体探针AFM的应用探测到疏水作用的精细特征，为纳米气泡存在并引起疏水作用提供了重要的证据。同时，大量报道指出疏水长程作用与表面的疏水程度、水是否脱气以及水中溶解气体的种类有关，溶液中粒子问的作用特征和谱学方法的测定结果也都在一定程度上支持纳米气泡的存在。但由于检测手段的限制，纳米气泡的存在虽然有大量间接证据的支持，却没有得到直接的实验证实。直到2000年至2001年，首批纳米气泡的原子力显微镜图像发表，之后中子反射的测定结果也表明固液界面有气体富集。这样纳米气泡的存在就得到了直接的实验证实。对于基础研究和诸多应用学科来说，固体和水界面纳米气泡的存在都具有非常重要的意义。纳米气泡与表面和界面科学(如粘附、胶体稳定)、生物学(如疏水相互作用、生物分子的吸附)和纳米科技(如MEMS、微流体)等领域许多觏题密切相关。纳米气泡存在导致的另一个重要结果是流体界面滑移现象，从而．j：减少了流动阻力，这在微观流体力学中是一个不容忽视的重要因素。蚋米气泡的存在虽然已经得到基本认同，但是研究结果中仍存在争论，包括纳米气泡的来源和纳米气泡的形貌等基本问题。纳米气泡的形成规律、具有1rA样的性质等目前的研究甚至还没有涉及。要解决目前争论，系统、深入地研究纳米气泡，实验条件要满足如下几点：首先是建立可重复性地形成纳米气泡的方法。其次是保证各种实验条件的一致性，比如同一种基底等。最后是需要有观察纳米气泡的直接、便捷的方法。液体中轻敲模式的AFM具有很高的分上海交通大学博士论文固液界面纳米气泡的研究辨率，还可以提供有关相互作用力的信息，所以是目前探测固液界面纳米气泡的一个有力手段。本论文利用醇水替换法实现可重复地形成纳米气泡，利用AFM轻敲模式对其进行直接成像，研究了云母一水和HOPG(高序热解石墨)一水界面纳米气泡的基本规律及它们具有的基本性质。本文的目的是通过研究了解固液界面纳米气泡形成的基本规律及其基本性质，同时为今后能够更深入地研究纳米气泡的有关问题奠定基础。在云母．水界面，本论文主要研究了纳米气泡的形成和成像方法、脱气和温度对纳米气泡形成的影响以及纳米气泡随温度的变化。结合脱气方法与AFM直接成像，发现乙醇和水脱气后形成的纳米气泡数量明显减少，这表明乙醇和水中溶解的气体对于纳米气泡的形成非常重要，为AFM观察到的就是纳米气泡提供了直接、有力的证据。醇和水的温度也显著地影响纳米气泡的数量，随着液体温度升高，纳米气泡数量的变化存在两个区间。当温度从180C增加到300C，纳米气泡的数目随着温度缓慢增加；当温度继续升高，纳米气泡的数目随着温度急剧增加。纳米气泡形成后，温度升高会影响纳米气泡大小。温度在31—340c时纳米气泡没有明显变化；随着温度升高至1J370C左右纳米气泡明显变大：当温度继续升高到400c左右，纳米气泡又缩小了。在HOPG．水界面，第一次直接观察到固液界面纳米气泡与纳米气层共存。纳米气层是界面富集气体存在的一种方式，它具有的形貌特征与纳米气泡显著不同。纳米气层在水平方向的长度是其高度的两个数量级。纳米气层上有时座落着纳米气泡。纳米气层的发现突破了目前对界面气体富集状态认识的局限，表明纳米气泡和纳米气层都是气体富集的状态。AFM成像可以为观察到的就是纳米气泡提供一些证据。如用接触模式观察纳米气泡，针尖的作用力越大，观察到纳米气泡就越小；用轻敲模式下，针尖作用会导致纳米气泡发生移位和融合。证明AFM观察到的就是纳米气层和纳米气泡最有力的证据来自于脱气试验，醇水脱气后基本上不再形成纳米气层，形成纳米气泡的数量也减少。分析力谱及力曲线的特征发现，纳米气泡和纳米气层的力曲线具有共同的特点，又有一些不同的变化特征。两者都对针尖有很强的粘滞力，但在纳米气层上不存在针尖向表面的跳近过程，而在纳米气泡上跳进过程却很明II上海交通大学博士论丈固液界面纳米气泡的研究显。这些充分反映了纳米气层和纳米气泡作为两种不同气体富集状态与针尖的相互作用方式也不同。研究了HOPG表面形成纳米气层和纳米气泡的规律，影响因素有醇的种类、乙醇溶液的浓度、醇水的温度、醇水替换速度的快慢、HOPG表面历史以及基底的类型，初步掌握了纳米气层和纳米气泡的形成规律。探索了HOPG-水界面纳米气层和纳米气泡的一些基本性质，包括：不同条件下纳米气层和纳米气泡随时间和温度的变化、接触模式成像