利用先进纳米探测技术对纳米气泡特性的研究
王兴亚
学位类型博士
导师高兴宇
2018
学位授予单位中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
关键词纳米气泡 原子力显微镜 同步辐射技术 扫描透射软x射线显微术 硬x射线荧光吸收
摘要纳米气泡的研究在近十年来发展非常迅速,已经成为界面科学领域的研究热点。纳米气泡在环境、生物、医学和保健等领域的重要应用不断凸现,如高效、无污染的水处理,促进动植物生长和富氢水的抗炎和抗氧化能力等。纳米气泡的基础研究将对其未来在更多领域和方向的应用有着重要的指导意义。实际上,纳米气泡本身还存在着一些重要的科学问题。首先,对界面纳米气泡稳定机制的解释虽然提出了很多理论,但还存在着很多争议。另外,关于体相纳米气泡是否存在以及基本性质的研究较少。但体相纳米气泡的应用价值比界面纳米气泡更高。除此之外,由于测量技术手段上的限制,关于纳米气泡内部化学信息的研究也相对匮乏,但这些信息是理解和解释界面纳米气泡和体相纳米气泡稳定性的最有力的数据。基于以上问题,本论文使用新型原子力显微镜技术结合Force Volume模式提出了一种区分纳米气泡和有机物液滴的简单方法,利用先进的同步辐射技术-软X射线谱学显微技术(STXM)和硬X射线微聚焦荧光成像和吸收技术,结合纳米颗粒跟踪分析等技术首次对纳米气泡的界面行为和内部化学信息,以及纳米气泡的内部密度等性质进行了深入研究。根据研究内容,本论文可以分成如下几个部分。首先,提出了一种区分纳米气泡和有机物油滴的简单方法。针对目前存在的关于纳米气泡还是污染物的争论,本论文选取了PDMS(polydimethylsiloxane)油滴作为污染物的代表,利用原子力显微镜的PF-QNM模式对纳米气泡和PDMS纳米油滴的进行了系统性的测量和比较。实验先是提出了一种简单、高效的制备纳米油滴的方法。接着,通过比较纳米气泡和PDMS纳米油滴的尺寸大小、接触角、软硬度等性质,发现无法将两者明显区分开来。最后,利用Force Volume模式分别研究了纳米气泡和PDMS油滴的力学信息,发现纳米气泡具有非常明显的特征力曲线,即其Approaching力曲线和retracting力曲线上有两段较为平缓的区域,而PDMS纳米油滴则没有,油滴的力曲线只是线性的增大或减小。这样,通过力曲线的特征,可以直接在原子力显微镜实验中将纳米气泡与PDMS纳米油滴污染物进行区分。其次,利用先进的同步辐射软X射线谱学显微技术对单个纳米气泡的界面行为和内部化学信息进行了研究。单个纳米气泡的内部化学信息对理解纳米气泡的稳定性至关重要。本实验采用了电化学产生氧气纳米气泡的制备方法,通过STXM技术对界面纳米气泡进行了二维成像,然后在氧的K吸收边对其进行堆栈扫描分析,得到了纳米气泡的内部化学信息,证实了纳米气泡内部氧气的存在。更重要的是,通过OD分析和最小二乘法线性拟合,估算了纳米气泡氧气的含量,首次获得纳米气泡的内部密度约为常压下空气密度的39.3倍。另外,实验发现纳米气泡外部溶液环境中也存在高浓度的氧气,其是常温常压下氧气在水中溶解度的1000倍以上,这个过饱和的溶液环境很可能是纳米气泡长时间保持稳定的关键因素。最后,利用同步辐射硬X射线荧光吸收和纳米颗粒跟踪分析技术研究了体相微纳米气泡的化学信息、数量和大小,以及纳米气泡内部的密度信息。实验中使用加压法制备了含Kr气微纳米气泡水溶液,然后利用微聚焦荧光成像技术对Kr微纳米气泡进行了二维成像,利用荧光吸收全谱得到了溶液中的Kr气的吸收情况,结合纳米颗粒跟踪分析仪Nanosight得到了同一体系下溶液中纳米气泡的浓度和粒径分布情况,推算了溶液中纳米气泡内部的Kr气密度。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28513
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
王兴亚. 利用先进纳米探测技术对纳米气泡特性的研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2018.
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