發(fā)布時間：2017-05-22 11:04

  本文關(guān)鍵詞：固液界面納米氣泡與原子力顯微鏡探針的相互作用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：固液界面納米氣泡是近二三十年界面物理研究中的新發(fā)現(xiàn)，其理論與實(shí)驗(yàn)研究才剛剛開始，其經(jīng)典熱力學(xué)理論所不能解釋的超長壽命和穩(wěn)定性等問題逐漸引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。從1994年P(guān)arker等人根據(jù)水中的兩塊疏水平行板間的長程引力(long range hydrophobic attractive force)的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)了階躍性和不連續(xù)性的力-距離曲線并依此提出了亞微米氣泡的假說，到2000年Lou等第一次通過原子力顯微鏡直接觀察到固液界面納米氣泡，學(xué)者們針對固液界面納米氣泡進(jìn)行了深入的研究，尤其是利用AFM技術(shù)對界面納米氣泡的研究。 固體顆粒與水/氣界面的相互作用是膠體與界面科學(xué)研究中的基本問題，同時，研究顆粒與氣泡之間的相互作用有助于人們更好的理解水中的兩個十分重要的力：疏水相互作用力和親水相互作用力。微米級顆粒與宏觀氣泡間的相互作用已經(jīng)被研究了幾十年，在剛開始的研究中，表面力裝置（surface force apparatus，SFA）作為唯一的測量力的裝置只能用來測量浸沒在溶液的固體表面之間的力相互作用。隨后，原子力顯微鏡（atomic force microscopy，AFM）的發(fā)明以及膠體探針技術(shù)的發(fā)展使研究固體顆粒與宏觀氣泡之間的相互作用成為可能。在過去的二十幾年中，許多的學(xué)者致力于固體界面與水/氣界面的相互作用的研究中，并且將疏水/親水顆粒與宏觀氣泡間的力曲線測量作為主要的研究重點(diǎn)。 與宏觀尺度相比，研究納米尺度的探針和納米氣泡水/氣界面之間的相互作用更加困難。納米氣泡因?yàn)槠潴w積太小很難被光學(xué)顯微鏡觀察到，從而導(dǎo)致AFM探針很難準(zhǔn)確的定位在納米氣泡上，為二者之間的力曲線測量帶來了困難。在2006年張雪花等人通過原子力顯微鏡的Force Volume的模式得到了Tween20溶液中針尖與納米氣泡之間的相互作用，并測量出了Tween20溶液的表面張力。但是，，她們并不能得到納米氣泡在純水中的表面張力，因?yàn)樵贔orce Volume模式下原子力顯微鏡探針會刺破納米氣泡。另外，F(xiàn)orce Volume模式由于本身極慢的掃描速度和探針位置漂移的問題，給實(shí)驗(yàn)測量造成了很大的困難。近期，峰值力定量納米力學(xué)性質(zhì)（PeakForce quantitative nanomechanics, PF-QNM)原子力顯微鏡作為一種新型的成像模式已經(jīng)被發(fā)展出來，它以峰值力信號作為反饋，不但可以得到樣品的形貌，同時還可以得到樣品與探針間的力曲線，從而得到樣品的楊氏模量、粘滯力等力學(xué)性質(zhì)信息。目前，PF-QNM已經(jīng)被廣泛的用于各種樣品力學(xué)性質(zhì)的測量，其中也包括納米氣泡的彈性測量，但是，納米氣泡與探針間的相互作用還沒有被研究。而研究納米氣泡與AFM探針或納米級顆粒間的相互作用有助于人們更好的理解氣液界面，同時對納米氣泡的研究有促進(jìn)作用。 在納米氣泡與原子力顯微鏡探針相互作用的研究中，“snap-in”的現(xiàn)象經(jīng)常會被觀察到，但是其原因一直沒有找到答案。而在早期的研究中，學(xué)者們在研究親水的膠體探針與宏觀氣泡的相互作用中也經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)“snap-in”的現(xiàn)象，這個問題也困擾了大家好多年，一直沒有一個明確的結(jié)論。納米氣泡與納米尺度探針之間的力曲線是研究二者之間相互作用的基礎(chǔ)，而“snap-in”現(xiàn)象頻繁的出現(xiàn)在納米氣泡的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，因此弄清原子力顯微鏡探針與納米氣泡相互作用中“snap-in”的來源是十分重要的。 本論文主要通過PF-QNM成像模式，研究了PF-QNM模式在納米氣泡的相關(guān)研究中的應(yīng)用，目的是通過本論文的研究能夠掌握PF-QNM新型成像模式在納米氣泡研究中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法以及通過PF-QNM探究原子力顯微鏡探針與納米氣泡氣液界面相互作用，為今后更深入的探究納米氣泡的有關(guān)問題奠定基礎(chǔ)。具體的說，主要有以下幾點(diǎn)：探究了固液界面納米氣泡的新型制備方法，這種無需乙醇參與的納米氣泡制備方法，為納米氣泡的研究提供制備方法的補(bǔ)充；建立了PF-QNM模式在納米氣泡研究實(shí)驗(yàn)中的方法學(xué)，為納米氣泡的后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)；通過PF-QNM模式，系統(tǒng)的研究了原子力顯微鏡探針與納米氣泡氣液界面的相互作用，并得出了力曲線中“snap-in”現(xiàn)象的來源。 通過PF-QNM這種新型的原子力顯微鏡成像模式，探究了原子力顯微鏡探針與納米氣泡氣/液界面間相互作用中“snap-in”現(xiàn)象的來源。經(jīng)過一系列控制實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)納米氣泡與探針間“snap-in”現(xiàn)象是由于二者間的疏水相互作用產(chǎn)生的，而探針的疏水化來源為空氣中沉積的疏水污染物。當(dāng)干凈的探針被放置在空氣中一段時間或者在氣相條件下進(jìn)行固體表面的AFM掃描，這些疏水污染物會頻繁的轉(zhuǎn)移到探針上，而與之相反，長時間的液相條件成像則很少會造成探針的污染。同時還可以發(fā)現(xiàn)探針的疏水污染可以有效的通過等離子體清洗去除，從而消除實(shí)驗(yàn)中的“snap-in”現(xiàn)象。表面活性劑SDS分子的吸附也會影響納米氣泡表面的疏水性質(zhì)，消除“snap-in”現(xiàn)象。由此可以確認(rèn)探針與納米氣泡間的疏水相互作用是“snap-in”現(xiàn)象的主要來源，通過改變探針或者納米氣泡的疏水性均可消除“snap-in”現(xiàn)象的發(fā)生。 本文的創(chuàng)新之處在于：第一次提出了通過冰水滴加預(yù)熱的HOPG基底制備納米氣泡的方法，這種方法無需進(jìn)行乙醇替換的步驟，從而消除了乙醇引入對體系的影響；提出了通過PF-QNM研究納米氣泡與探針相互作用的實(shí)驗(yàn)方法學(xué)，為之后的納米氣泡研究奠定基礎(chǔ)；發(fā)現(xiàn)探針的等離子處理對探針的影響，并通過一系列實(shí)驗(yàn)研究了納米氣泡與AFM探針間的“snap-in”現(xiàn)象的來源。
【關(guān)鍵詞】：固液界面納米氣泡 峰值力定量納米力學(xué)性質(zhì)原子力顯微鏡 疏水相互作用力 原子力顯微鏡探針 “snap-in”現(xiàn)象
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（上海應(yīng)用物理研究所）
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O35;TH742
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-29
• 1.1 引言13-15
• 1.2 納米技術(shù)進(jìn)展與 AFM 的發(fā)明及發(fā)展15-19
• 1.2.1 納米技術(shù)的提出15-16
• 1.2.2 STM 和 AFM 的發(fā)明及發(fā)展16-19
• 1.3 固液界面納米氣泡19-26
• 1.3.1 固液界面納米氣泡的存在證據(jù)19-22
• 1.3.2 納米氣泡的形成方法22
• 1.3.3 納米氣泡的穩(wěn)定機(jī)制22-26
• 1.4 宏觀氣泡與顆粒的相互作用與“snap-in”現(xiàn)象26-27
• 1.5 關(guān)于本論文27-29
• 1.5.1 本論文的目的27-28
• 1.5.2 論文的內(nèi)容安排28-29
• 第二章 納米氣泡和 AFM 探針相互作用實(shí)驗(yàn)方法學(xué)的建立29-39
• 2.1 引言29-30
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器和材料30-31
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器30-31
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)材料31
• 2.3 納米氣泡的產(chǎn)生方法31-35
• 2.4 PF-QNM 用于納米氣泡研究的實(shí)驗(yàn)方法35-38
• 2.4.1 探針的等離子體處理35
• 2.4.2 探針針尖半徑的校正35-36
• 2.4.3 納米氣泡的制備方法36
• 2.4.4 PF-QNM 實(shí)驗(yàn)條件的選擇36-38
• 2.5 小結(jié)38-39
• 第三章 原子力顯微鏡探針與納米氣泡相互作用中“snap-in”的來源39-52
• 3.1 引言39-40
• 3.2 針尖處理對于“snap-in”現(xiàn)象的影響40-42
• 3.3 產(chǎn)生“snap-in”現(xiàn)象的主要原因42-45
• 3.4 表面活性劑 SDS 在納米氣泡表面的吸附對于“snap-in”現(xiàn)象的影響45-46
• 3.5 不同材質(zhì)探針的“snap-in”現(xiàn)象比較46-48
• 3.6 探針的疏水化修飾對于“snap-in”現(xiàn)象的影響48-49
• 3.7 “snap-in”現(xiàn)象的理論探究49-50
• 3.8 小結(jié)50-52
• 第四章 總結(jié)與展望52-61
• 4.1 論文總結(jié)：主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)52-53
• 4.2 展望53-61
• 4.2.1 基于 PF-QNM 模式的力學(xué)成像對氣層(micropancake)的研究53-55
• 4.2.2 磷脂分子對納米氣泡的影響的研究55-57
• 4.2.3 氣體生物學(xué)效應(yīng)角度探究納米氣泡與人工生物膜（SLBs）的相互作用57-61
• 參考文獻(xiàn)61-64
• 攻讀碩士期間已發(fā)表與待發(fā)表文章目錄64-65
• 致謝65-66

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

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;王偉杰;趙學(xué)增;;固液界面納米氣泡研究[J];化學(xué)進(jìn)展;2012年08期

  本文關(guān)鍵詞：固液界面納米氣泡與原子力顯微鏡探針的相互作用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：385490