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氣體富集、雜質(zhì)對(duì)固-液界面納米氣泡接觸角的影響——引言、實(shí)驗(yàn)儀器與試劑
來源：黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào) 瀏覽 224 次 發(fā)布時(shí)間:2024-11-28
為了研究納米氣泡接觸角小于其宏觀接觸角這一問題，通過分析醇-水替換前后在高序熱解石墨表面上測(cè)量得到的力-距離曲線，驗(yàn)證界面氣體富集與納米氣泡共存的現(xiàn)象。結(jié)合Das提出的雜質(zhì)與接觸角的關(guān)系模型，討論雜質(zhì)對(duì)納米氣泡接觸角的影響。根據(jù)改進(jìn)的Young方程分析了線張力降低納米氣泡接觸角的機(jī)理。結(jié)果表明：納米氣泡接觸角受界面氣體富集、雜質(zhì)及線張力的影響，納米氣泡接觸角小于其宏觀接觸角是三者共同作用的結(jié)果。
納米氣泡是固-液界面上形成的直徑或高度為納米尺度的氣泡。近二十年來，納米氣泡引起越來越多學(xué)者的關(guān)注，已經(jīng)成為表面科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。納米氣泡的特征、形成方法、影響因素及潛在應(yīng)用等已經(jīng)被廣泛且較深入的研究。納米氣泡的穩(wěn)定性及導(dǎo)致其反常小的接觸角(氣相)的原因仍然是未解決的問題。為此，筆者對(duì)固-液界面納米氣泡的接觸角進(jìn)行研究。納米氣泡接觸角的影響分析。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，納米氣泡的接觸角遠(yuǎn)小于其宏觀接觸角，文中納米氣泡的接觸角是指其氣相接觸角。如圖1所示，對(duì)于聚苯乙烯表面，宏觀液滴的液相接觸角約為95°，其氣相接觸角則約為75°，實(shí)驗(yàn)中聚苯乙烯表面上納米氣泡的接觸角約為2.2°～31.0°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其宏觀接觸角。根據(jù)拉普拉斯公式，氣泡內(nèi)外的壓力差為
Δp=2ylg/Rc，
式中：ylg——?dú)?液界面的表面張力；
Rc——曲率半徑。
如果兩個(gè)氣泡的接觸線直徑相同，較小的氣相接觸角則意味著具有較大的曲率半徑，進(jìn)而較小的內(nèi)部壓力，具有較長(zhǎng)的壽命。可見，研究納米氣泡這種‘反常小’的接觸角有助于納米氣泡獲得更長(zhǎng)的壽命，即納米氣泡的小接觸角促進(jìn)了納米氣泡的穩(wěn)定性。此外，研究發(fā)現(xiàn)，固-液界面上的氣體可以增大滑移長(zhǎng)度，減小流體流動(dòng)阻力,這已經(jīng)在最新研究中得到證明。研究還發(fā)現(xiàn)，納米氣泡的形貌會(huì)影響減阻的效果，使納米氣泡不總是有利于流體流動(dòng)。當(dāng)接觸角較大時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)滑移，即增大了流體流動(dòng)阻力。因此，研究納米氣泡的接觸角也有助于深入研究納米氣泡與流體流動(dòng)阻力的關(guān)系，促進(jìn)納米氣泡在滑移減阻方面的應(yīng)用。
納米氣泡接觸角小于其宏觀接觸角這個(gè)問題引起了許多學(xué)者的關(guān)注，Ducker在研究納米氣泡穩(wěn)定性時(shí)提出液體中的雜質(zhì)可能被吸附在納米氣泡表面上，使氣-液界面的表面張力降低，進(jìn)而降低納米氣泡的接觸角。Das建立了雜質(zhì)與納米氣泡接觸角的關(guān)系模型，分析并證實(shí)了Ducker的觀點(diǎn)，即納米氣泡氣-液界面上吸附雜質(zhì)后可以使納米氣泡的接觸角降低，但其仿真結(jié)果仍高于實(shí)驗(yàn)中納米氣泡接觸角的測(cè)量值。納米氣泡是一種軟物質(zhì)，AFM成像時(shí)探針-氣泡的相互作用會(huì)使納米氣泡高度的測(cè)量值小于其真實(shí)值，即利用AFM掃描圖像時(shí)，探針-氣泡的相互作用確實(shí)會(huì)影響納米氣泡的接觸角。那么，這是否是導(dǎo)致納米氣泡接觸角小于其宏觀接觸角的原因呢？近期，Peak-force AFM研究結(jié)果否定了這種猜測(cè)。文中從界面氣體富集(Interfacial gas enrichment,IGE)、雜質(zhì)及線張力這幾個(gè)因素對(duì)納米氣泡接觸角的影響進(jìn)行分析，探求納米氣泡接觸角“反常小”的原因。
圖1納米氣泡的氣相及其宏觀接觸角
1實(shí)驗(yàn)儀器與試劑
1.1原子力顯微鏡
所采用的原子力顯微鏡(Atomic force microscopy,AFM)為NT-MDT公司的NTEGRA platform系統(tǒng)(NT-MDT Company,Zelenograd,Moscow)。探針為矩形探針(CSG30,NT-MDT Company)，標(biāo)稱剛度，N/m探針針尖在使用前先后用乙醇、丙酮及超純水超聲清洗。在納米氣泡成像實(shí)驗(yàn)中，采用的set-point值為95%，掃描頻率為1 Hz。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫25，實(shí)驗(yàn)前擦拭液體槽、玻璃支架和彈簧夾等，然后依次用乙醇和超純水進(jìn)行沖洗。
1.2實(shí)驗(yàn)試劑
水為超純水(18.2 MΩ·cm)，通過Milli-QA10系統(tǒng)獲得。為了保證水中的氣體溶解度，實(shí)驗(yàn)中的用水需要提前用潔凈的燒杯取超純水80 mL在空氣中平衡12 h，所用的乙醇也采用同樣的方法處理。實(shí)驗(yàn)中用的丙酮和乙醇為優(yōu)級(jí)醇。