纳米尺度固液界面气体的富集
固液界面的研究，因其在生物学和胶体与界面科学中的重要性一直是国内外科学界研究的热点。纳米尺度下气体在固液界面的富集会对许多学科特别是表面和界面科学、纳米科技和生物学产生重要的影响。但在理论和实验中仍然存在着很大争议。一方面，理论上还无法解释纳米气泡的长期稳定存在。另一方面，一些实验中由于表面疏水化的不可控性和气体来源的复杂性，容易导致实验结果的不可重复性或引起实验假象。本论文主要采用可控地产生单一气体的方法和原子力显微镜(AFM)观测相结合的体系来验证纳米气泡的真实存在，并进一步研究这些气体在固液界面上的富集状态、形成条件、稳定机制和基本性质。
首先，利用电化学方法在原子级平整的疏水高序热解石墨(HOPG)电极表面上可控地产生了纳米级的氢气气泡。实验发现，纳米气泡的产生需要一个大约-1.2 V的临界电压。纳米气泡的大小和数量受控于所加的电解电压和反应时间：电压越高，产生的纳米气泡的数量越多、气泡越小；反应时间越长，纳米气泡数量越多或气泡越大。在恒定的电压下，随着反应时间的增长，纳米气泡经历从无到产生、变多和消失的过程。其次，基于对纳米气泡基本性质的掌握和分子动力学模拟结果，提出了纳米气泡的长期稳定的原因可能来源于它的高的内部密度。计算结果表明高密度的纳米气泡的寿命可以达到实验可观测的时间范围。利用纳米气泡具有高密度原理有望发展为一种新的常温常压储氢的方法。另外，研究了温度变化导致过量气体在固液界面上富集情况。结果发现在水和酸溶液中气体可以以双层和三层结构存在，这些气层结构的高度从低到高依次分布。借助于AFM针尖的作用或放置一段时间，纳米气层就会进一步转化为纳米气泡。最后，计算了纳米气泡重要的物理量：接触角。得到了重要的实验结果：在亲水的云母表面上纳米气泡的接触角比疏水HOPG表面上的纳米气泡的接触角小得多；纳米气泡的接触角随着它们高度的增加而变小；氢气纳米气泡的接触角与空气纳米气泡的接触角相比，在气泡高度较低的情况下它们的接触角没有明显不同，但当高度继续变高，氢气纳米气泡的接触角略高于空气纳米气泡的接触角；纳米尺度的气泡的接触角比宏观液滴的接触角大得多。
- 作者：
- 张立娟
- 学位授予单位：
- 中国科学院上海应用物理研究所
- 专业名称：
- 粒子物理与原子核物理
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2007年
- 导师姓名：
- 方海平
- 中图分类号：
- TB383；O646.54
- 关键词：
- 原子力显
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