專利名稱：基于醇水替換在親水平整的表面形成納米氣泡的方法
技術領域：
本發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，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，屬于物理化學中固液界面的納米氣泡形成技術領域。
納米氣泡的存在得到證明后，引起了物理化學、表面科學、膠體化學及其它學科的極大關注。固液界面的納米氣泡可能會與很多現象和作用有關，如膠體粒子及固體表面間的相互作用、表面潤濕、表面粘附、液體對運動固體的粘滯作用、固液界面的聚集、膠粒的浮選與沉降，甚至蛋白質結構的穩定性等方面都有密切的關系。要系統、深入地研究納米氣泡，必須先建立一種簡便的、可重復性強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.)。這種化學修飾的表面受具體修飾過程的影響，必然造成表面物理或化學性質的不均一性，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固液界面的納米氣泡進行定量研究，而且，也無法實現研究結果的可重復性。在疏水表面還有空化現象，這使系統地、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從空氣中吸附大量氣體，也沒有空化現象產生的蒸汽。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、平整的表面是不會吸附氣泡的。因此，建立一種親水的、原子級平整的表面上形成納米氣泡的方法對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，因此無法重復性高地形成納米氣泡。
為實現這樣的目的，本發明采用親水的、原子級平整的云母為基底，先注入醇再注入水，利用醇和水的替換過程，在基底和水的界面上形成納米氣泡。
本發明具體包括如下步驟(1)儀器的準備原子力顯微鏡是NanoScope IIIa SPM系統(Digital Instruments，Inc.)，配備O-圈和液槽。“E”掃描頭；彈性系數為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)基底的準備本發明采用親水的、原子級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)形成納米氣泡通過接液槽的進水管用注射器將2ml左右的無水乙醇(優級純)輕輕注入液槽，夾好液槽的進、出水管，趨近針尖，成像。確定在乙醇中云母表面沒有明顯的大顆粒，防止以后無法區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。取下進水管，吸入超純水(Milli Q)。在向液槽上插進水管的同時，輕輕打開出水管。將5ml左右的超純水輕輕注入液槽，排出其中的乙醇。(4)納米氣泡的觀察驅近針尖，輕敲模式的驅動頻率(drive amplitude)7-12KHz，驅動振幅(drive amplitude)250-280mV，掃描速率(scan rate)2Hz，掃描面積(scansize)2um×2um至5um×5um。選擇AFM成像的設定點(setpoint)時，要先做云母表面的力曲線。設定點的值應稍低于力曲線開始下降的位置。
本發明采用的基底包括與水的接觸角小于90度的表面，有硅、玻璃以及經過化學或物理修飾的表面。
本發明選用的醇類除乙醇外，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。
本發明所采用的是未經脫氣處理的醇和水。
本發明由于利用了醇和水的替換過程，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性，操作簡便，不會引入污染，是對納米氣泡的深入、系統研究的基礎。
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。
通過液槽的進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、出水管，趨近針尖，成像。沒有觀察到明顯的較大顆粒。抬起針尖5-10微米，取下進水管，吸入保溫于20℃的超純水。在向液槽上插進水管的同時，輕輕打開出水管。將5ml左右的超純水輕輕注入液槽，排出其中的乙醇。驅近針尖，輕敲模式的驅動頻率(drive amplitude)7.2KHz，驅動振幅(driveamplitude)280mV，掃描速率(scan rate)2Hz，掃描面積(scan size)2um×2um，根據力曲線來確定setpoint。可以觀察到云母表面有一些納米氣泡，統計氣泡的數量。
作為對比，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，統計數量。結果可以確定35℃的乙醇和水替換形成納米氣泡的數量遠遠大于20℃的乙醇和水替換形成納米氣泡的數量，因此在本發明所限定的溫度范圍內，較高溫度的液體會更有利于納米氣泡的形成。實施例2納米氣泡中氣體來源的確定原子力顯微鏡是NanoScope IIIa SPM系統(Digital Instruments，Inc.)，配備O-圈和液槽。“E”掃描頭；彈性系數為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，乙醇為優級純，購于中國化學試劑總公司。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，另一端通過活塞接真空油泵，抽氣后真空度可達-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、出水管。再迅速吸出約5ml脫氣水，在向液槽上插進水管的同時，輕輕打開出水管，將水注入液槽，排出乙醇。立即夾好進、出水管。驅近針尖，成像。對結果中單位面積上納米氣泡的數量進行統計。同樣的實驗重復5-8次以后，做出納米氣泡的數量分布圖。同樣方法，重復不脫氣的乙醇和水的實驗，做出納米氣泡的數量分布圖。可以明顯地看脫氣的乙醇和水替換形成納米氣泡數量遠遠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源就是乙醇和水中溶解的氣體。
在兩個研究中分別要進行實驗結果的對比和統計，這在直接浸入水中化學疏水修飾的表面上是很難實現的。醇和水替換可以在親水、平整的云母表面形成納米氣泡，使得實驗結果具有較好的可重復性。對比、統計實驗結果，這樣兩個研究都得到了明確的結果。
權利要求
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)通過接液槽的進水管用注射器將無水乙醇輕輕注入液槽，夾好液槽的進、出水管，趨近針尖，成像完成后，抬起針尖，取下進水管，吸入超純水，在向液槽上插進水管的同時，輕輕打開出水管，將超純水輕輕注入液槽，排出其中的乙醇；4)驅近針尖，輕敲模式的驅動頻率7-12KHz，驅動振幅250-280mV，掃描速率2Hz，掃描面積2um×2um至5um×5um，進行觀察。
2.如權利要求1所說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.如權利要求1所說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、玻璃以及經過化學或物理修飾的表面。
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程，在基底和水的界面上形成納米氣泡。本發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，方法操作簡便，不會引入污染，并且具有很好重現性，適于AFM對納米氣泡的觀察，可以做為深入、系統研究納米氣泡的基礎。
文檔編號G01N1/28GK1434281SQ03115380
公開日2003年8月6日 申請日期2003年2月13日 優先權日2003年2月13日
發明者張雪花, 胡均, 孫潔林, 張曉東, 胡曉芳, 李鑫輝 申請人:上海交通大學
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