專(zhuān)利名稱：基于醇水替換在親水平整的表面形成納米氣泡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于醇水替換在親水、平整的表面形成納米氣泡的方法，具體地說(shuō)，是一種在云母基底上，能與水互溶的醇(包括甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇和叔丁醇)被水替換后可以在基底與水的界面上形成納米氣泡的方法，屬于物理化學(xué)中固液界面的納米氣泡形成技術(shù)領(lǐng)域。
納米氣泡的存在得到證明后，引起了物理化學(xué)、表面科學(xué)、膠體化學(xué)及其它學(xué)科的極大關(guān)注。固液界面的納米氣泡可能會(huì)與很多現(xiàn)象和作用有關(guān)，如膠體粒子及固體表面間的相互作用、表面潤(rùn)濕、表面粘附、液體對(duì)運(yùn)動(dòng)固體的粘滯作用、固液界面的聚集、膠粒的浮選與沉降，甚至蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等方面都有密切的關(guān)系。要系統(tǒng)、深入地研究納米氣泡，必須先建立一種簡(jiǎn)便的、可重復(fù)性強(qiáng)的方法形成納米氣泡。目前除本組外，其它研究組都是在浸入水中的化學(xué)修飾表面直接研究納米氣泡(J.W.G.，Yyrrell and P.Attard，Phys.Rev.Lett.2001；87，P176104.N.Ishida，M.Sakamoto，M.Miyara andK.Higashitani，Langmuir 2000；16，P5681.)。這種化學(xué)修飾的表面受具體修飾過(guò)程的影響，必然造成表面物理或化學(xué)性質(zhì)的不均一性，這種不均一表面很容易在空氣中吸附的大量氣體。這些吸附氣體使得根本不可能對(duì)固液界面的納米氣泡進(jìn)行定量研究，而且，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)研究結(jié)果的可重復(fù)性。在疏水表面還有空化現(xiàn)象，這使系統(tǒng)地、深入地研究納米氣泡顯得更加困難。
親水的、平整的固體表面不會(huì)從空氣中吸附大量氣體，也沒(méi)有空化現(xiàn)象產(chǎn)生的蒸汽。以這種表面為基底研究納米氣泡可以避免這兩種因素造成的不確定性。但理論上，親水的、平整的表面是不會(huì)吸附氣泡的。因此，建立一種親水的、原子級(jí)平整的表面上形成納米氣泡的方法對(duì)于納米氣泡的研究具有重要意義。
本組前期采用醇水替換形成納米氣泡(S.T.Lou，Z.Q.Ouyang，Y.Zhang，X.J.Li，J.Hu，M.Q.Li and F.J.Yang，J.Vac.Sci.Technol.B，2000；18，P2573.S.T.Lou，J.X.Gao，X.D.Xiao，G.L.Li，Y.Zhang，M.Q.Li，J.L.Sun，J.Hu，Chin.Phys.2001，10(Suppl)P1009.S.T.Lou，J.X.Gao，X.D.Xiao，X.J.Li，G.L.Li，Y.Zhang，M.Q.Li，J.L.Sun，X.H.Li and J.Hu，Mater.Charact.2002；48，P211)，但沒(méi)有控制液體溫度，并且用的是5％的乙醇溶液替換乙醇，因此無(wú)法重復(fù)性高地形成納米氣泡。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明采用親水的、原子級(jí)平整的云母為基底，先注入醇再注入水，利用醇和水的替換過(guò)程，在基底和水的界面上形成納米氣泡。
本發(fā)明具體包括如下步驟(1)儀器的準(zhǔn)備原子力顯微鏡是NanoScope IIIa SPM系統(tǒng)(Digital Instruments，Inc.)，配備O-圈和液槽。“E”掃描頭；彈性系數(shù)為0.58N/m左右的普通NP針尖。針尖在使用前用水、乙醇和丙酮清洗。液體的溫度均在15℃以上，40℃以下。(2)基底的準(zhǔn)備本發(fā)明采用親水的、原子級(jí)平整的云母作為基底。將云母剪成約12mm×12mm；用雙面膠將其粘在AFM專(zhuān)用的鐵片上，再用鑷子將其表面一層輕輕揭去。吹耳球吹去表面的碎屑后，放到AFM頭部。將裝好針尖、O-圈和出水管的液槽放到AFM頭部的云母基底上，固定好。(3)形成納米氣泡通過(guò)接液槽的進(jìn)水管用注射器將2ml左右的無(wú)水乙醇(優(yōu)級(jí)純)輕輕注入液槽，夾好液槽的進(jìn)、出水管，趨近針尖，成像。確定在乙醇中云母表面沒(méi)有明顯的大顆粒，防止以后無(wú)法區(qū)分可能是污染的顆粒和形成的納米氣泡。
成像完成后，抬起針尖。取下進(jìn)水管，吸入超純水(Milli Q)。在向液槽上插進(jìn)水管的同時(shí)，輕輕打開(kāi)出水管。將5ml左右的超純水輕輕注入液槽，排出其中的乙醇。(4)納米氣泡的觀察驅(qū)近針尖，輕敲模式的驅(qū)動(dòng)頻率(drive amplitude)7-12KHz，驅(qū)動(dòng)振幅(drive amplitude)250-280mV，掃描速率(scan rate)2Hz，掃描面積(scansize)2um×2um至5um×5um。選擇AFM成像的設(shè)定點(diǎn)(setpoint)時(shí)，要先做云母表面的力曲線。設(shè)定點(diǎn)的值應(yīng)稍低于力曲線開(kāi)始下降的位置。
本發(fā)明采用的基底包括與水的接觸角小于90度的表面，有硅、玻璃以及經(jīng)過(guò)化學(xué)或物理修飾的表面。
本發(fā)明選用的醇類(lèi)除乙醇外，甲醇、正丙醇、異丙醇和叔丁醇這些與水互溶的醇類(lèi)也可以按相同的方法被水替換，在云母表面形成納米氣泡。
本發(fā)明所采用的是未經(jīng)脫氣處理的醇和水。
本發(fā)明由于利用了醇和水的替換過(guò)程，可以在親水的、平整的表面形成納米氣泡。該方法具有很好重現(xiàn)性，操作簡(jiǎn)便，不會(huì)引入污染，是對(duì)納米氣泡的深入、系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。
將一塊較暗色的云母按鐵片大小剪好；用雙面膠將其粘在鐵片上。用鑷子揭去云母表面一層，吹耳球吹去表面的碎屑，放到AFM頭部。調(diào)整頭部位置，使針尖距云母表面約40um，裝好針尖、O-圈和出水管的液槽放到AFM頭部的云母基底上，固定好。
通過(guò)液槽的進(jìn)水管用注射器將保溫于20℃的2ml乙醇輕輕注入液槽，夾好液槽的進(jìn)、出水管，趨近針尖，成像。沒(méi)有觀察到明顯的較大顆粒。抬起針尖5-10微米，取下進(jìn)水管，吸入保溫于20℃的超純水。在向液槽上插進(jìn)水管的同時(shí)，輕輕打開(kāi)出水管。將5ml左右的超純水輕輕注入液槽，排出其中的乙醇。驅(qū)近針尖，輕敲模式的驅(qū)動(dòng)頻率(drive amplitude)7.2KHz，驅(qū)動(dòng)振幅(driveamplitude)280mV，掃描速率(scan rate)2Hz，掃描面積(scan size)2um×2um，根據(jù)力曲線來(lái)確定setpoint。可以觀察到云母表面有一些納米氣泡，統(tǒng)計(jì)氣泡的數(shù)量。
作為對(duì)比，按上述同樣方法，先注入保溫于35℃的乙醇，再注入保溫于35℃的水。AFM成像，能觀察到更多的納米氣泡，統(tǒng)計(jì)數(shù)量。結(jié)果可以確定35℃的乙醇和水替換形成納米氣泡的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20℃的乙醇和水替換形成納米氣泡的數(shù)量，因此在本發(fā)明所限定的溫度范圍內(nèi)，較高溫度的液體會(huì)更有利于納米氣泡的形成。實(shí)施例2納米氣泡中氣體來(lái)源的確定原子力顯微鏡是NanoScope IIIa SPM系統(tǒng)(Digital Instruments，Inc.)，配備O-圈和液槽?！癊”掃描頭；彈性系數(shù)為0.58N/m左右的普通NP針尖。針尖在使用前用乙醇和丙酮清洗。所用真空油泵的功率為500W。水是Millipore超純水，乙醇為優(yōu)級(jí)純，購(gòu)于中國(guó)化學(xué)試劑總公司。液體的溫度均為15℃以上，40℃以下。
將一塊較暗色的云母按鐵片大小剪好；用雙面膠將其粘在鐵片上。用鑷子揭去云母表面一層，吹耳球吹去表面的碎屑，放到AFM頭部。調(diào)整頭部位置，使針尖距云母表面約40um，裝好針尖、O-圈和出水管的液槽放到AFM頭部的云母基底上，固定好。
將乙醇和水分別裝在雙頸瓶中，瓶一端用膠塞密封，另一端通過(guò)活塞接真空油泵，抽氣后真空度可達(dá)-0.07MPa，將液體在此真空度下保持30分鐘。脫氣之后，用注射器吸出約5ml脫氣的乙醇，迅速注入到液槽，夾好進(jìn)、出水管。再迅速吸出約5ml脫氣水，在向液槽上插進(jìn)水管的同時(shí)，輕輕打開(kāi)出水管，將水注入液槽，排出乙醇。立即夾好進(jìn)、出水管。驅(qū)近針尖，成像。對(duì)結(jié)果中單位面積上納米氣泡的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。同樣的實(shí)驗(yàn)重復(fù)5-8次以后，做出納米氣泡的數(shù)量分布圖。同樣方法，重復(fù)不脫氣的乙醇和水的實(shí)驗(yàn)，做出納米氣泡的數(shù)量分布圖?？梢悦黠@地看脫氣的乙醇和水替換形成納米氣泡數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于不脫氣的乙醇和水。這樣可以確定納米氣泡中的氣體來(lái)源就是乙醇和水中溶解的氣體。
在兩個(gè)研究中分別要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比和統(tǒng)計(jì)，這在直接浸入水中化學(xué)疏水修飾的表面上是很難實(shí)現(xiàn)的。醇和水替換可以在親水、平整的云母表面形成納米氣泡，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的可重復(fù)性。對(duì)比、統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣兩個(gè)研究都得到了明確的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種基于醇水替換在親水平整的表面形成納米氣泡的方法，其特征在于包括1)液體的溫度在15℃以上，40℃以下；2)基底采用親水的、原子級(jí)平整的云母，將云母剪成約12mm×12mm，粘在原子力顯微鏡AFM成像用的鐵片上，再將其表面一層輕輕揭去，吹去表面碎屑后，放到AFM頭部，將裝好針尖、O-圈和出水管的液槽放到基底上固定好；3)通過(guò)接液槽的進(jìn)水管用注射器將無(wú)水乙醇輕輕注入液槽，夾好液槽的進(jìn)、出水管，趨近針尖，成像完成后，抬起針尖，取下進(jìn)水管，吸入超純水，在向液槽上插進(jìn)水管的同時(shí)，輕輕打開(kāi)出水管，將超純水輕輕注入液槽，排出其中的乙醇；4)驅(qū)近針尖，輕敲模式的驅(qū)動(dòng)頻率7-12KHz，驅(qū)動(dòng)振幅250-280mV，掃描速率2Hz，掃描面積2um×2um至5um×5um，進(jìn)行觀察。
2.如權(quán)利要求1所說(shuō)的基于醇水替換在親水平整的表面形成納米氣泡的方法，其特征在于采用的乙醇可以用甲醇、正丙醇、異丙醇或叔丁醇替換。
3.如權(quán)利要求1所說(shuō)的基于醇水替換在親水平整的表面形成納米氣泡的方法，其特征在于基底采用與水的接觸角小于90度的表面，包括硅、玻璃以及經(jīng)過(guò)化學(xué)或物理修飾的表面。
全文摘要
一種基于醇水替換在親水平整的表面形成納米氣泡的方法，采用親水的、原子級(jí)平整的云母為基底，液體的溫度均在15℃以上，40℃以下，先注入醇再注入水，利用醇和水的替換過(guò)程，在基底和水的界面上形成納米氣泡。本發(fā)明由于利用了能與水互溶的醇(包括甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇和叔丁醇)和水的替換，可以在親水的、平整的表面形成納米氣泡，方法操作簡(jiǎn)便，不會(huì)引入污染，并且具有很好重現(xiàn)性，適于AFM對(duì)納米氣泡的觀察，可以做為深入、系統(tǒng)研究納米氣泡的基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G01N1/28GK1434281SQ03115380
公開(kāi)日2003年8月6日 申請(qǐng)日期2003年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月13日
發(fā)明者張雪花, 胡均, 孫潔林, 張曉東, 胡曉芳, 李鑫輝 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)