表面與界面科學是最近數(shù)十年興起的一門涉及材料科學、凝聚態(tài)物理、有機大分子等領域的學科�？茖W家們在研究諸多涉及物質的問題時,往往將其假設為無限延伸且連續(xù)的材料以在計算中進行大量簡化,得到一個簡單的數(shù)值解。然而,這種邏輯并不適用于戛然截斷的兩相甚至三相物質的交界處。在這些表面與界面位置,材料的性質總是與常規(guī)性質和理論有很大的差異。水中的氣泡,尤其是尺度在納米量級的氣泡就更是如此。自2000年第一次直接觀測至今,納米氣泡以其獨特的物化性質吸引了眾多科研工作者的極大興趣。納米氣泡的存在,與現(xiàn)今物理學中適用的數(shù)個經(jīng)典理論相違背。根據(jù)拉普拉斯方程,尺度在納米范圍的氣泡內部壓強可達數(shù)百萬甚至數(shù)千萬帕斯卡,如此巨大的數(shù)值足以令其在數(shù)毫秒內溶解;另外根據(jù)楊氏方程,水中納米氣泡與各種疏水或親水表面的接觸角均大于宏觀水的接觸角數(shù)十度(水側),這些難以解釋的現(xiàn)象自然而然地招致大量的質疑。同時,由于檢測手段的缺乏,目前對于納米氣泡的檢測往往陷于外部形貌與內部信息二者不可得兼的窘境之中,這又導致面對非議時難以直接回擊。不過,盡管基礎研究進步緩慢,納米氣泡在實際應用方面卻百花齊放,表面清潔、動植物養(yǎng)殖、醫(yī)學影像、礦物...

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【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖1-6(a)石墨材料表面納米氣泡的AFM圖像;(b)普通氣泡和納米氣泡模型示意圖。

作為納米氣泡這一概念出現(xiàn)的先導者,表面納米氣泡通常指的是液體中固體界面上存在的尺寸在納米量級的氣體聚集區(qū)域,如下圖1-6所示。根據(jù)眾多課題組的AFM測量結果[9-12],其在固體表面的高度通常在1nm至100nm之間,而其與固體接觸圓面的直徑則通�？梢赃_到10nm至2000....

圖1-8(a)單層和三層石墨烯在質子束流照射后表面形貌的變化;(b)單層石墨烯在質子束照射后的高分辨率3D模型。

日常生活定義中,氣泡指的是液體內的一小團空氣或氣體。但是,被固體材料所束縛的一團氣體在科研領域內通常也可以被稱作氣泡。倘若此固體中的氣團粒徑在納米量級,則可以稱之為固體中的納米氣泡。以石墨烯為例,2008年,E.Stolyarova觀察發(fā)現(xiàn)在二氧化硅表面上鋪設單層或三層石墨烯材料....

圖1-12(a)親水性針尖和(b)疏水性針尖與納米氣泡相互作用的示意圖。

而在對納米氣泡的探測方面,AFM依舊得心應手。胡鈞研究員課題組在AFM測定納米氣泡這一領域內走得最久。從早年開始,就利用tapping模式探究納米氣泡對溫度的響應、受脫氣水干擾時的行為等[55,56];之后,又利用了PeakforceQNM模式定量測算納米氣泡的硬度和不同乙醇濃....

圖1-13基于原子力顯微鏡的紅外光譜可以同時探測納米材料的形貌和其化學成分的紅外光譜圖。

當然,縱使AFM具有如上各種優(yōu)勢,仍有一點瑕疵存在,即不能分辨納米區(qū)域內物質的化學組分。目前,質疑AFM測量的“納米氣泡狀”的物質其實是油滴的聲音仍然存在。為了排除這些猜忌,最近的實驗也進行了多方面的改進:一是通過深度脫氣對照進行間接證明;二是利用ForceVolume模式測量....

本文編號：4031607