固液界面纳米气泡与原子力显微镜探针的相互作用研究

发布时间：2017-05-22 11:04

  本文关键词：固液界面纳米气泡与原子力显微镜探针的相互作用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：固液界面纳米气泡是近二三十年界面物理研究中的新发现，其理论与实验研究才刚刚开始，其经典热力学理论所不能解释的超长寿命和稳定性等问题逐渐引起了学者们的广泛关注。从1994年Parker等人根据水中的两块疏水平行板间的长程引力(long range hydrophobic attractive force)的实验研究中发现了阶跃性和不连续性的力-距离曲线并依此提出了亚微米气泡的假说，到2000年Lou等第一次通过原子力显微镜直接观察到固液界面纳米气泡，学者们针对固液界面纳米气泡进行了深入的研究，尤其是利用AFM技术对界面纳米气泡的研究。 固体颗粒与水/气界面的相互作用是胶体与界面科学研究中的基本问题，同时，研究颗粒与气泡之间的相互作用有助于人们更好的理解水中的两个十分重要的力：疏水相互作用力和亲水相互作用力。微米级颗粒与宏观气泡间的相互作用已经被研究了几十年，在刚开始的研究中，表面力装置（surface force apparatus，SFA）作为唯一的测量力的装置只能用来测量浸没在溶液的固体表面之间的力相互作用。随后，原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM）的发明以及胶体探针技术的发展使研究固体颗粒与宏观气泡之间的相互作用成为可能。在过去的二十几年中，许多的学者致力于固体界面与水/气界面的相互作用的研究中，并且将疏水/亲水颗粒与宏观气泡间的力曲线测量作为主要的研究重点。 与宏观尺度相比，研究纳米尺度的探针和纳米气泡水/气界面之间的相互作用更加困难。纳米气泡因为其体积太小很难被光学显微镜观察到，从而导致AFM探针很难准确的定位在纳米气泡上，为二者之间的力曲线测量带来了困难。在2006年张雪花等人通过原子力显微镜的Force Volume的模式得到了Tween20溶液中针尖与纳米气泡之间的相互作用，并测量出了Tween20溶液的表面张力。但是，，她们并不能得到纳米气泡在纯水中的表面张力，因为在Force Volume模式下原子力显微镜探针会刺破纳米气泡。另外，Force Volume模式由于本身极慢的扫描速度和探针位置漂移的问题，给实验测量造成了很大的困难。近期，峰值力定量纳米力学性质（PeakForce quantitative nanomechanics, PF-QNM)原子力显微镜作为一种新型的成像模式已经被发展出来，它以峰值力信号作为反馈，不但可以得到样品的形貌，同时还可以得到样品与探针间的力曲线，从而得到样品的杨氏模量、粘滞力等力学性质信息。目前，PF-QNM已经被广泛的用于各种样品力学性质的测量，其中也包括纳米气泡的弹性测量，但是，纳米气泡与探针间的相互作用还没有被研究。而研究纳米气泡与AFM探针或纳米级颗粒间的相互作用有助于人们更好的理解气液界面，同时对纳米气泡的研究有促进作用。 在纳米气泡与原子力显微镜探针相互作用的研究中，“snap-in”的现象经常会被观察到，但是其原因一直没有找到答案。而在早期的研究中，学者们在研究亲水的胶体探针与宏观气泡的相互作用中也经常会发现“snap-in”的现象，这个问题也困扰了大家好多年，一直没有一个明确的结论。纳米气泡与纳米尺度探针之间的力曲线是研究二者之间相互作用的基础，而“snap-in”现象频繁的出现在纳米气泡的相关实验中，因此弄清原子力显微镜探针与纳米气泡相互作用中“snap-in”的来源是十分重要的。 本论文主要通过PF-QNM成像模式，研究了PF-QNM模式在纳米气泡的相关研究中的应用，目的是通过本论文的研究能够掌握PF-QNM新型成像模式在纳米气泡研究中的相关实验方法以及通过PF-QNM探究原子力显微镜探针与纳米气泡气液界面相互作用，为今后更深入的探究纳米气泡的有关问题奠定基础。具体的说，主要有以下几点：探究了固液界面纳米气泡的新型制备方法，这种无需乙醇参与的纳米气泡制备方法，为纳米气泡的研究提供制备方法的补充；建立了PF-QNM模式在纳米气泡研究实验中的方法学，为纳米气泡的后续研究奠定基础；通过PF-QNM模式，系统的研究了原子力显微镜探针与纳米气泡气液界面的相互作用，并得出了力曲线中“snap-in”现象的来源。 通过PF-QNM这种新型的原子力显微镜成像模式，探究了原子力显微镜探针与纳米气泡气/液界面间相互作用中“snap-in”现象的来源。经过一系列控制实验，可以发现纳米气泡与探针间“snap-in”现象是由于二者间的疏水相互作用产生的，而探针的疏水化来源为空气中沉积的疏水污染物。当干净的探针被放置在空气中一段时间或者在气相条件下进行固体表面的AFM扫描，这些疏水污染物会频繁的转移到探针上，而与之相反，长时间的液相条件成像则很少会造成探针的污染。同时还可以发现探针的疏水污染可以有效的通过等离子体清洗去除，从而消除实验中的“snap-in”现象。表面活性剂SDS分子的吸附也会影响纳米气泡表面的疏水性质，消除“snap-in”现象。由此可以确认探针与纳米气泡间的疏水相互作用是“snap-in”现象的主要来源，通过改变探针或者纳米气泡的疏水性均可消除“snap-in”现象的发生。 本文的创新之处在于：第一次提出了通过冰水滴加预热的HOPG基底制备纳米气泡的方法，这种方法无需进行乙醇替换的步骤，从而消除了乙醇引入对体系的影响；提出了通过PF-QNM研究纳米气泡与探针相互作用的实验方法学，为之后的纳米气泡研究奠定基础；发现探针的等离子处理对探针的影响，并通过一系列实验研究了纳米气泡与AFM探针间的“snap-in”现象的来源。
【关键词】：固液界面纳米气泡 峰值力定量纳米力学性质原子力显微镜 疏水相互作用力 原子力显微镜探针 “snap-in”现象
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O35;TH742
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 引言13-15
• 1.2 纳米技术进展与 AFM 的发明及发展15-19
• 1.2.1 纳米技术的提出15-16
• 1.2.2 STM 和 AFM 的发明及发展16-19
• 1.3 固液界面纳米气泡19-26
• 1.3.1 固液界面纳米气泡的存在证据19-22
• 1.3.2 纳米气泡的形成方法22
• 1.3.3 纳米气泡的稳定机制22-26
• 1.4 宏观气泡与颗粒的相互作用与“snap-in”现象26-27
• 1.5 关于本论文27-29
• 1.5.1 本论文的目的27-28
• 1.5.2 论文的内容安排28-29
• 第二章 纳米气泡和 AFM 探针相互作用实验方法学的建立29-39
• 2.1 引言29-30
• 2.2 实验仪器和材料30-31
• 2.2.1 实验仪器30-31
• 2.2.2 实验材料31
• 2.3 纳米气泡的产生方法31-35
• 2.4 PF-QNM 用于纳米气泡研究的实验方法35-38
• 2.4.1 探针的等离子体处理35
• 2.4.2 探针针尖半径的校正35-36
• 2.4.3 纳米气泡的制备方法36
• 2.4.4 PF-QNM 实验条件的选择36-38
• 2.5 小结38-39
• 第三章 原子力显微镜探针与纳米气泡相互作用中“snap-in”的来源39-52
• 3.1 引言39-40
• 3.2 针尖处理对于“snap-in”现象的影响40-42
• 3.3 产生“snap-in”现象的主要原因42-45
• 3.4 表面活性剂 SDS 在纳米气泡表面的吸附对于“snap-in”现象的影响45-46
• 3.5 不同材质探针的“snap-in”现象比较46-48
• 3.6 探针的疏水化修饰对于“snap-in”现象的影响48-49
• 3.7 “snap-in”现象的理论探究49-50
• 3.8 小结50-52
• 第四章 总结与展望52-61
• 4.1 论文总结：主要内容和创新点52-53
• 4.2 展望53-61
• 4.2.1 基于 PF-QNM 模式的力学成像对气层(micropancake)的研究53-55
• 4.2.2 磷脂分子对纳米气泡的影响的研究55-57
• 4.2.3 气体生物学效应角度探究纳米气泡与人工生物膜（SLBs）的相互作用57-61
• 参考文献61-64
• 攻读硕士期间已发表与待发表文章目录64-65
• 致谢65-66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 ;Long lifetime of nanobubbles due to high inner density[J];Science in China(Series G:Physics,Mechanics & Astronomy);2008年02期

2 李大勇;王伟杰;赵学增;;固液界面纳米气泡研究[J];化学进展;2012年08期

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本文编号：385490