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基于盐水—水替换法产生纳米气泡及其性质的研究

作　者: 刘明焕
导　师: 董亚明
学　校: 上海师范大学
专　业: 物理化学
关键词: 纳米气泡原子力显微镜盐水替换同步辐射软X射线技术
分类号: O647
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

由于固液界面在化学、生物、胶体系统等多种领域广泛存在，因而固液界面成为近几年来的一个研究热点。疏水长程作用是存在于固液界面间的一种很强的相互吸引作用，通过研究这种疏水长程引力的起源，人们推测固液界面可能存在着纳米气泡。然而，根据经典热力学理论，室温下水中的纳米气泡是不可能稳定存在的，因而在很长的一段时间里，限于实验手段的局限性，人们一直未能在实验中观察到纳米气泡的存在。后来科学家通过中子衍射、表面力测量仪以及原子力显微镜等手段证实了纳米气泡的存在，特别是利用原子力显微镜轻敲模式对纳米气泡扫描所得的图像，为纳米气泡的存在提供了最直接的证据。当前，关于纳米气泡的生成方法已经得到了广泛的研究，例如溶液替换法、直接浸渍法和电化学方法等是常用的方法。最初使用的是醇水替换方法，由于该方法可以在固液界面得到大量纳米气泡并具有高度的可重复性，因而被广泛使用。通过研究醇水替换的机理，科学家进而通过实验证实了其它有机溶液与水进行替换也能得到纳米气泡。但是有机溶剂的使用具有一定的局限性：一方面这种方法不适用于生物或者医学上的研究，因为生物膜不能作为有机溶液替换的基底；另一方面，有机溶液也很容易引入杂质。为了克服这些缺点，科学家又提出了一些新的产生纳米气泡的方法：水—氯化钠溶液替换法和温差法。这两种方法既不会引入其它杂质，同时又扩大了其使用范围。受水-盐替换方法的启发，我们采用逆向思维，即使用气体溶解度大的溶液（水）去替换气体溶解度小的溶液（盐溶液），这样，我们既能探究该方法是否可以生成纳米气泡，同时又可以验证纳米气泡的生成机理即溶液中气体过饱和导致气泡的产生。然后我们又通过改变生成纳米气泡的基底以及替换溶液中所溶解的气体量，分别探讨了基底和气体溶解度差异对纳米气泡形成的影响。通过实验结果，我们发现疏水表面更容易产生纳米气泡，两种溶液替换时气体溶解度差异越大越容易产生气泡。同步辐射软X射线技术（STXM）是一种既能直接证明纳米气泡的存在又能得出其内部信息的有效实验手段。STXM技术不仅可以对软物质、介观尺寸上的液体以及固体等进行分析，还能利用样品物质对软X射线的特征性吸收曲线，来测定物质的元素组成。我们运用STXM技术对氖气纳米气泡进行表征，并在氖气特征吸收峰附近检测到强吸收峰，证实体系中存在含氖气气体的纳米气泡。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章前言  10-31
  1.1 固液界面的纳米气泡  11-12
    1.1.1 疏水长程引力的发现  11-12
  1.2 固液界面存在纳米气泡的证实  12-18
    1.2.1 固液界面纳米气泡存在的间接证据  12-16
    1.2.2 固液界面纳米气泡存在的直接证据  16-18
  1.3 纳米气泡的物理性质  18-19
    1.3.1 气泡和界面张力  18-19
  1.4 气泡的寿命  19-21
  1.5 如何产生纳米气泡  21-26
    1.5.1 醇水替换及快速加热  21-22
    1.5.2 电化学法  22-25
    1.5.3 控制温度和气体含量  25-26
  1.6 纳米气泡的应用  26-30
    1.6.1 疏水性凝聚和共凝聚  26-27
    1.6.2 电化学除杂质  27-28
    1.6.3 摩擦力和粘附力  28
    1.6.4 溶气浮选法  28
    1.6.5 边界滑移  28-30
  1.7 本课题的提出及主要研究内容  30-31
第二章盐溶液与水替换法生成纳米气泡的研究  31-46
  2.1 实验试剂、材料、仪器和方法  32-33
    2.1.1 实验试剂、材料和仪器  32
    2.1.2 纳米气泡的生成  32-33
  2.2 实验结果讨论与分析  33-44
    2.2.1 纳米气泡的生成  33-34
    2.2.2 扫描成像时针尖对纳米气泡的影响  34-38
    2.2.3 盐溶液的浓度和种类对纳米气泡的影响  38-44
  2.3 小结  44-46
第三章产生纳米气泡的其他方法及其性质的探究  46-58
  3.1 不同基底对纳米气泡生成的影响  47-49
    3.1.1 实验试剂、材料和仪器  47
    3.1.2 纳米气泡的生成  47-49
  3.2 实验结果讨论与分析  49-56
    3.2.1 不同条件下纳米气泡的生成  49-55
    3.2.2 葡萄糖溶液与水替换生成纳米气泡  55-56
  3.3 小结  56-58
第四章氖气纳米气泡的同步辐射软 X 射线的研究  58-65
  4.1 上海光源的同步辐射软X射线  59-61
  4.2 实验过程以及方法  61-63
    4.2.1 实验部分  61-63
  4.3 实验结果与讨论  63-64
  4.4 小结  64-65
第五章总结与展望  65-67
  5.1 论文总结  65-66
  5.2 展望  66-67
参考文献  67-73
攻读学位期间取得的研究成果  73

基于盐水—水替换法产生纳米气泡及其性质的研究

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