用原子力显微镜研究疏水表面间的吸引力

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1、用原子力显微镜研究疏水表面间的吸引力摘要和结论用原子力显微镜研究了水中，水——乙醇中，不同溶解度气体的饱和水溶液中AFM疏水探针与疏水平面之间的吸引力。实验测得了具有突变的力曲线，突变强度随着水中乙醇的含量增加而减小，在纯乙醇中突变消失，吸引力为0。力曲线上的突变强度与气体溶解度有关，然而力的大小与气体溶解度并没有明显的关系，表面的粗糙度以及不均一性对力曲线的形状有重要的影响。实验结果显示了稳定存在的亚微观气泡对疏水吸引力的影响。这与近期疏水表面存在纳米气泡的直接或者间接证据以及早期浮选科学家的预见一致。疏水表面和探针的准备刚开

2、始的实验是在玻璃球和显微镜玻璃载片上进行的。玻璃颗粒和载片都在气相中用三甲基氯硅烷（trimethylchlorosilane）硅烷化（疏水化），然后用蒸馏水清洗并用氮气干燥。用无柄滴液器（sessiledropapparatus）测得载片（疏水化之后）的接触角为62°。没有测量颗粒的接触角，但认为颗粒（疏水化后）的接触角应大于62°（考虑到微观不均匀性以及线张力的影响）。其它在脱气溶液中的实验所用到的疏水表面为，聚乙烯（polyethylene）颗粒，聚乙烯处理的疏水表面以及硅烷化的疏水表面。聚乙烯颗粒的制备：加热使悬浮在丙三

3、醇（glycerol）中的聚乙烯粉末，然后降低温度，使分散在丙三醇中的聚乙烯液滴凝固，过滤并干燥。聚乙烯表面制备：在120℃左右将云母表面的聚乙烯粉末融化，用玻璃载片压住云母片上的聚乙烯液，冷却后，移走云母片，再用氮气冲洗。二氧化硅表面用octadecyltrichorosilanation在液相中疏水化。所有的表面都依次用丙三醇，蒸馏水冲洗几遍以除去杂质。用无柄滴液器测得前进接触角为90°。不同溶解度气体饱和水溶液的制备：在低压下面将水重复煮沸——冷却几次，然后取100ml左右加入洗气瓶（gas-washingbottle），

4、再把所要溶解的气体以1L/min的速度通过底部的多孔玻璃片冲入脱气水中，持续半个小时，然后立即用它进行实验。将颗粒固定在悬臂上：将AFM悬臂以30°的倾角固定在在配有长聚焦镜头（longworkingdistancelenses）的显微镜三维操作台上的holder中。在另外一个三维显微操作器的钨丝上加入少量树脂（resin），并在显微显示器的监测下将树脂转移到悬臂上。最后用悬臂粘起小球并干燥24小时。结果和讨论图1纯水中，17%（体积百分数）的乙醇—水溶液以及100%乙醇中硅烷化玻璃球和玻璃片之间的力测量结果1.乙醇的影响水和乙

5、醇中硅烷化玻璃表面的力测量结果如图1所示。在纯乙醇溶液中没有测出的吸引力为0，在纯水中测得的长程吸引力与(RabinovichandYoon,1994)一致（compatible）。纯水实验的力曲线出现突变，被认为是疏水表面上的亚微观气泡所引起的。有理论(Attard,1996)认为，有亚微观气泡以你的吸引力与汽——液界面的张力成比例。因此，降低液气界面张力的乙醇将会降低吸引力。这符合图1中的实验结果。乙醇的加入使得突变处的距离增大（图2），突变强度降低，当乙醇含量较大时，很难观察到突变现象。(Yaminsky,1997,199

6、9)指出，力与距离D服从下面经验公式：(1)不同乙醇浓度下的力幅度，衰减长度如图3所示。随着乙醇浓度的增大，力幅值减小，衰减长度增大。，很显然，图3中的远远大于分子的衰减长度（moleculardecaylengths不明白什么是分子衰减长度），是长程疏水力的一个表征。图2突变处距离——乙醇含量（体积）图图3对于公式1，不同浓度下的力幅，衰减长度。实心和空心点分别为两组实验的数据。2.溶解气体的影响亚微观气泡的作用可以由力曲线的突变现象表现出来，为此，本文考虑了气体溶解度对疏水吸引力的影响。图4是聚乙烯表面（PE）分别在氩气（水

7、中溶解度34.2ml/l）、氮气（水中溶解度15.8ml/l）和氦气（水中溶解度8.6ml/l）的饱和水溶液的相互所用。图4氩气，氮气和氦气饱和水溶液中PE表面的力测量结果由图中可以看出，突变强度与气体的溶解度有关，溶解度越大，突变强度越大，然而吸引力的大小以及作用范围与气体的溶解度并无明显的联系，这表明气体溶解度不是影响疏水力的重要因素。图5为聚乙烯颗粒与硅烷化表面在氮气和氦气的饱和水溶液中的实验结果。图5聚乙烯颗粒与硅烷化表面在氮气和氦气的饱和水溶液中的实验结果在这组实验中，氦气饱水溶液的实验结果也出现了突变。需要注意，表面

8、的粗糙度以及不均匀性是影响固液界面亚微观气泡形成和稳定的重要因素。聚乙烯微晶使得聚乙烯表面在微观程度上是粗糙的，表面活性剂的吸附使得硅烷化表面呈现不均一性。看来是不均一的硅烷化表面形成的亚微观气泡使得氦气饱和水溶液的实验结果出现突变现象（step）。3.浮选中的