专利名称：基于醇水替换在亲水平整的表面形成纳米气泡的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于醇水替换在亲水、平整的表面形成纳米气泡的方法，具体地说，是一种在云母基底上，能与水互溶的醇(包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇和叔丁醇)被水替换后可以在基底与水的界面上形成纳米气泡的方法，属于物理化学中固液界面的纳米气泡形成技术领域。
纳米气泡的存在得到证明后，引起了物理化学、表面科学、胶体化学及其它学科的极大关注。固液界面的纳米气泡可能会与很多现象和作用有关，如胶体粒子及固体表面间的相互作用、表面润湿、表面粘附、液体对运动固体的粘滞作用、固液界面的聚集、胶粒的浮选与沉降，甚至蛋白质结构的稳定性等方面都有密切的关系。要系统、深入地研究纳米气泡，必须先建立一种简便的、可重复性强的方法形成纳米气泡。目前除本组外，其它研究组都是在浸入水中的化学修饰表面直接研究纳米气泡(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.)。这种化学修饰的表面受具体修饰过程的影响，必然造成表面物理或化学性质的不均一性，这种不均一表面很容易在空气中吸附的大量气体。这些吸附气体使得根本不可能对固液界面的纳米气泡进行定量研究，而且，也无法实现研究结果的可重复性。在疏水表面还有空化现象，这使系统地、深入地研究纳米气泡显得更加困难。
亲水的、平整的固体表面不会从空气中吸附大量气体，也没有空化现象产生的蒸汽。以这种表面为基底研究纳米气泡可以避免这两种因素造成的不确定性。但理论上，亲水的、平整的表面是不会吸附气泡的。因此，建立一种亲水的、原子级平整的表面上形成纳米气泡的方法对于纳米气泡的研究具有重要意义。
本组前期采用醇水替换形成纳米气泡(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)，但没有控制液体温度，并且用的是5％的乙醇溶液替换乙醇，因此无法重复性高地形成纳米气泡。
为实现这样的目的，本发明采用亲水的、原子级平整的云母为基底，先注入醇再注入水，利用醇和水的替换过程，在基底和水的界面上形成纳米气泡。
本发明具体包括如下步骤(1)仪器的准备原子力显微镜是NanoScope IIIa SPM系统(Digital Instruments，Inc.)，配备O-圈和液槽。“E”扫描头；弹性系数为0.58N/m左右的普通NP针尖。针尖在使用前用水、乙醇和丙酮清洗。液体的温度均在15℃以上，40℃以下。(2)基底的准备本发明采用亲水的、原子级平整的云母作为基底。将云母剪成约12mm×12mm；用双面胶将其粘在AFM专用的铁片上，再用镊子将其表面一层轻轻揭去。吹耳球吹去表面的碎屑后，放到AFM头部。将装好针尖、O-圈和出水管的液槽放到AFM头部的云母基底上，固定好。(3)形成纳米气泡通过接液槽的进水管用注射器将2ml左右的无水乙醇(优级纯)轻轻注入液槽，夹好液槽的进、出水管，趋近针尖，成像。确定在乙醇中云母表面没有明显的大颗粒，防止以后无法区分可能是污染的颗粒和形成的纳米气泡。
成像完成后，抬起针尖。取下进水管，吸入超纯水(Milli Q)。在向液槽上插进水管的同时，轻轻打开出水管。将5ml左右的超纯水轻轻注入液槽，排出其中的乙醇。(4)纳米气泡的观察驱近针尖，轻敲模式的驱动频率(drive amplitude)7-12KHz，驱动振幅(drive amplitude)250-280mV，扫描速率(scan rate)2Hz，扫描面积(scansize)2um×2um至5um×5um。选择AFM成像的设定点(setpoint)时，要先做云母表面的力曲线。设定点的值应稍低于力曲线开始下降的位置。
本发明采用的基底包括与水的接触角小于90度的表面，有硅、玻璃以及经过化学或物理修饰的表面。
本发明选用的醇类除乙醇外，甲醇、正丙醇、异丙醇和叔丁醇这些与水互溶的醇类也可以按相同的方法被水替换，在云母表面形成纳米气泡。
本发明所采用的是未经脱气处理的醇和水。
本发明由于利用了醇和水的替换过程，可以在亲水的、平整的表面形成纳米气泡。该方法具有很好重现性，操作简便，不会引入污染，是对纳米气泡的深入、系统研究的基础。
将一块较暗色的云母按铁片大小剪好；用双面胶将其粘在铁片上。用镊子揭去云母表面一层，吹耳球吹去表面的碎屑，放到AFM头部。调整头部位置，使针尖距云母表面约40um，装好针尖、O-圈和出水管的液槽放到AFM头部的云母基底上，固定好。
通过液槽的进水管用注射器将保温于20℃的2ml乙醇轻轻注入液槽，夹好液槽的进、出水管，趋近针尖，成像。没有观察到明显的较大颗粒。抬起针尖5-10微米，取下进水管，吸入保温于20℃的超纯水。在向液槽上插进水管的同时，轻轻打开出水管。将5ml左右的超纯水轻轻注入液槽，排出其中的乙醇。驱近针尖，轻敲模式的驱动频率(drive amplitude)7.2KHz，驱动振幅(driveamplitude)280mV，扫描速率(scan rate)2Hz，扫描面积(scan size)2um×2um，根据力曲线来确定setpoint。可以观察到云母表面有一些纳米气泡，统计气泡的数量。
作为对比，按上述同样方法，先注入保温于35℃的乙醇，再注入保温于35℃的水。AFM成像，能观察到更多的纳米气泡，统计数量。结果可以确定35℃的乙醇和水替换形成纳米气泡的数量远远大于20℃的乙醇和水替换形成纳米气泡的数量，因此在本发明所限定的温度范围内，较高温度的液体会更有利于纳米气泡的形成。实施例2纳米气泡中气体来源的确定原子力显微镜是NanoScope IIIa SPM系统(Digital Instruments，Inc.)，配备O-圈和液槽。“E”扫描头；弹性系数为0.58N/m左右的普通NP针尖。针尖在使用前用乙醇和丙酮清洗。所用真空油泵的功率为500W。水是Millipore超纯水，乙醇为优级纯，购于中国化学试剂总公司。液体的温度均为15℃以上，40℃以下。
将一块较暗色的云母按铁片大小剪好；用双面胶将其粘在铁片上。用镊子揭去云母表面一层，吹耳球吹去表面的碎屑，放到AFM头部。调整头部位置，使针尖距云母表面约40um，装好针尖、O-圈和出水管的液槽放到AFM头部的云母基底上，固定好。
将乙醇和水分别装在双颈瓶中，瓶一端用胶塞密封，另一端通过活塞接真空油泵，抽气后真空度可达-0.07MPa，将液体在此真空度下保持30分钟。脱气之后，用注射器吸出约5ml脱气的乙醇，迅速注入到液槽，夹好进、出水管。再迅速吸出约5ml脱气水，在向液槽上插进水管的同时，轻轻打开出水管，将水注入液槽，排出乙醇。立即夹好进、出水管。驱近针尖，成像。对结果中单位面积上纳米气泡的数量进行统计。同样的实验重复5-8次以后，做出纳米气泡的数量分布图。同样方法，重复不脱气的乙醇和水的实验，做出纳米气泡的数量分布图。可以明显地看脱气的乙醇和水替换形成纳米气泡数量远远低于不脱气的乙醇和水。这样可以确定纳米气泡中的气体来源就是乙醇和水中溶解的气体。
在两个研究中分别要进行实验结果的对比和统计，这在直接浸入水中化学疏水修饰的表面上是很难实现的。醇和水替换可以在亲水、平整的云母表面形成纳米气泡，使得实验结果具有较好的可重复性。对比、统计实验结果，这样两个研究都得到了明确的结果。
权利要求
1.一种基于醇水替换在亲水平整的表面形成纳米气泡的方法，其特征在于包括1)液体的温度在15℃以上，40℃以下；2)基底采用亲水的、原子级平整的云母，将云母剪成约12mm×12mm，粘在原子力显微镜AFM成像用的铁片上，再将其表面一层轻轻揭去，吹去表面碎屑后，放到AFM头部，将装好针尖、O-圈和出水管的液槽放到基底上固定好；3)通过接液槽的进水管用注射器将无水乙醇轻轻注入液槽，夹好液槽的进、出水管，趋近针尖，成像完成后，抬起针尖，取下进水管，吸入超纯水，在向液槽上插进水管的同时，轻轻打开出水管，将超纯水轻轻注入液槽，排出其中的乙醇；4)驱近针尖，轻敲模式的驱动频率7-12KHz，驱动振幅250-280mV，扫描速率2Hz，扫描面积2um×2um至5um×5um，进行观察。
2.如权利要求1所说的基于醇水替换在亲水平整的表面形成纳米气泡的方法，其特征在于采用的乙醇可以用甲醇、正丙醇、异丙醇或叔丁醇替换。
3.如权利要求1所说的基于醇水替换在亲水平整的表面形成纳米气泡的方法，其特征在于基底采用与水的接触角小于90度的表面，包括硅、玻璃以及经过化学或物理修饰的表面。
全文摘要
一种基于醇水替换在亲水平整的表面形成纳米气泡的方法，采用亲水的、原子级平整的云母为基底，液体的温度均在15℃以上，40℃以下，先注入醇再注入水，利用醇和水的替换过程，在基底和水的界面上形成纳米气泡。本发明由于利用了能与水互溶的醇(包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇和叔丁醇)和水的替换，可以在亲水的、平整的表面形成纳米气泡，方法操作简便，不会引入污染，并且具有很好重现性，适于AFM对纳米气泡的观察，可以做为深入、系统研究纳米气泡的基础。
文档编号G01N1/28GK1434281SQ03115380
公开日2003年8月6日 申请日期2003年2月13日 优先权日2003年2月13日
发明者张雪花, 胡均, 孙洁林, 张晓东, 胡晓芳, 李鑫辉 申请人:上海交通大学