為了研究納(na)米氣(qi)(qi)(qi)泡接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)角(jiao)小于(yu)(yu)其宏(hong)觀接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)角(jiao)這一(yi)問題，通過(guo)分析(xi)(xi)醇(chun)-水替換前后(hou)在高序熱解石墨表面上測量(liang)得到(dao)的(de)(de)力(li)-距離(li)曲線，驗證界(jie)面氣(qi)(qi)(qi)體(ti)富集與納(na)米氣(qi)(qi)(qi)泡共(gong)存的(de)(de)現象。結(jie)合Das提出的(de)(de)雜質(zhi)與接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)角(jiao)的(de)(de)關系(xi)模(mo)型，討論雜質(zhi)對納(na)米氣(qi)(qi)(qi)泡接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)角(jiao)的(de)(de)影響。根(gen)據改進的(de)(de)Young方程分析(xi)(xi)了線張力(li)降低納(na)米氣(qi)(qi)(qi)泡接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)角(jiao)的(de)(de)機理。結(jie)果表明：納(na)米氣(qi)(qi)(qi)泡接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)角(jiao)受界(jie)面氣(qi)(qi)(qi)體(ti)富集、雜質(zhi)及(ji)線張力(li)的(de)(de)影響，納(na)米氣(qi)(qi)(qi)泡接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)角(jiao)小于(yu)(yu)其宏(hong)觀接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)角(jiao)是三者(zhe)共(gong)同作(zuo)用的(de)(de)結(jie)果。

納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)是(shi)固-液(ye)界面上形成的(de)(de)(de)直徑(jing)或高(gao)度為(wei)(wei)納(na)米(mi)尺度的(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)。近二十年(nian)來，納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)引起越來越多(duo)學(xue)者的(de)(de)(de)關注(zhu)，已經(jing)成為(wei)(wei)表(biao)面科學(xue)領域(yu)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究熱點(dian)之一。納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)特征(zheng)、形成方法、影響因素及潛(qian)在應用等已經(jing)被廣(guang)泛且較深入的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究。納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)穩定性(xing)及導致其反常小的(de)(de)(de)接(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(氣(qi)(qi)(qi)相)的(de)(de)(de)原(yuan)因仍然是(shi)未解決的(de)(de)(de)問題(ti)。為(wei)(wei)此，筆者對(dui)固-液(ye)界面納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)接(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)進行研(yan)(yan)究。納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)接(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)影響分析。實(shi)驗(yan)研(yan)(yan)究發現，納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)接(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)遠小于(yu)其宏觀接(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)，文(wen)中納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)接(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)是(shi)指其氣(qi)(qi)(qi)相接(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)。如圖1所示，對(dui)于(yu)聚苯乙烯表(biao)面，宏觀液(ye)滴(di)的(de)(de)(de)液(ye)相接(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)約為(wei)(wei)95°，其氣(qi)(qi)(qi)相接(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)則約為(wei)(wei)75°，實(shi)驗(yan)中聚苯乙烯表(biao)面上納(na)米(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)接(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)約為(wei)(wei)2.2°～31.0°，遠遠小于(yu)其宏觀接(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)。根據拉普拉斯公式，氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)內外的(de)(de)(de)壓力(li)差(cha)為(wei)(wei)

Δp=2ylg/Rc，

式(shi)中：ylg——氣-液界(jie)面(mian)的(de)表面(mian)張力；

Rc——曲(qu)率半徑。

如果兩個氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)線直徑相(xiang)同，較(jiao)(jiao)小的(de)(de)氣(qi)相(xiang)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)則意味著(zhu)具有(you)較(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)曲率半(ban)徑，進而(er)較(jiao)(jiao)小的(de)(de)內部壓(ya)力(li)，具有(you)較(jiao)(jiao)長的(de)(de)壽(shou)命。可見，研究(jiu)(jiu)納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)這種‘反常小’的(de)(de)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)有(you)助于納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)獲得(de)更長的(de)(de)壽(shou)命，即(ji)納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)小接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)促進了納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)穩定(ding)性。此外，研究(jiu)(jiu)發現，固-液界(jie)面上的(de)(de)氣(qi)體(ti)可以增大(da)滑移長度，減(jian)(jian)小流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)阻力(li),這已經在(zai)(zai)最(zui)新研究(jiu)(jiu)中得(de)到證明。研究(jiu)(jiu)還發現，納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)形貌(mao)會影響減(jian)(jian)阻的(de)(de)效(xiao)果，使納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)不(bu)總是有(you)利于流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)。當(dang)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)較(jiao)(jiao)大(da)時甚至會產生(sheng)負(fu)滑移，即(ji)增大(da)了流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)阻力(li)。因此，研究(jiu)(jiu)納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)也有(you)助于深(shen)入研究(jiu)(jiu)納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)與流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)阻力(li)的(de)(de)關系，促進納(na)(na)(na)(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)在(zai)(zai)滑移減(jian)(jian)阻方面的(de)(de)應用。

納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)小(xiao)于(yu)(yu)其宏(hong)觀接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)這個(ge)問題引(yin)起(qi)了(le)許多學者(zhe)的(de)(de)關注(zhu)，Ducker在研究納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)穩定性(xing)時(shi)提出液(ye)體(ti)中的(de)(de)雜質(zhi)(zhi)可(ke)能被吸附在納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)表(biao)面(mian)上(shang)，使氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)-液(ye)界(jie)面(mian)的(de)(de)表(biao)面(mian)張(zhang)力降(jiang)(jiang)低，進而降(jiang)(jiang)低納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)。Das建(jian)立(li)了(le)雜質(zhi)(zhi)與納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)的(de)(de)關系模(mo)型，分析(xi)(xi)并證實(shi)了(le)Ducker的(de)(de)觀點，即納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)-液(ye)界(jie)面(mian)上(shang)吸附雜質(zhi)(zhi)后可(ke)以使納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)降(jiang)(jiang)低，但(dan)其仿真結果(guo)仍高(gao)于(yu)(yu)實(shi)驗(yan)中納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)的(de)(de)測(ce)量值。納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)是一(yi)種(zhong)(zhong)軟物(wu)質(zhi)(zhi)，AFM成(cheng)像時(shi)探針(zhen)-氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)相互作用會(hui)(hui)使納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)高(gao)度的(de)(de)測(ce)量值小(xiao)于(yu)(yu)其真實(shi)值，即利用AFM掃描圖像時(shi)，探針(zhen)-氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)相互作用確實(shi)會(hui)(hui)影(ying)響納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)。那么，這是否是導致納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)小(xiao)于(yu)(yu)其宏(hong)觀接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)的(de)(de)原(yuan)因(yin)呢(ni)？近期，Peak-force AFM研究結果(guo)否定了(le)這種(zhong)(zhong)猜(cai)測(ce)。文中從界(jie)面(mian)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)富集(Interfacial gas enrichment,IGE)、雜質(zhi)(zhi)及線(xian)張(zhang)力這幾個(ge)因(yin)素對納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)的(de)(de)影(ying)響進行分析(xi)(xi)，探求納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)角(jiao)“反常小(xiao)”的(de)(de)原(yuan)因(yin)。

圖(tu)1納米氣(qi)泡的氣(qi)相及其宏觀接觸角

1實驗儀器與試劑

1.1原子力顯微(wei)鏡(jing)

所采(cai)用的原(yuan)子力顯(xian)微鏡(Atomic force microscopy,AFM)為NT-MDT公司的NTEGRA platform系統(NT-MDT Company,Zelenograd,Moscow)。探針(zhen)(zhen)為矩形探針(zhen)(zhen)(CSG30,NT-MDT Company)，標(biao)稱剛度(du)，N/m探針(zhen)(zhen)針(zhen)(zhen)尖在使用前(qian)先后用乙醇、丙酮(tong)及超(chao)(chao)純(chun)水超(chao)(chao)聲清洗(xi)。在納米氣泡成像實(shi)驗中，采(cai)用的set-point值(zhi)為95%，掃描頻率為1 Hz。實(shi)驗溫度(du)為室溫25，實(shi)驗前(qian)擦拭液體槽(cao)、玻璃支架和彈簧夾等(deng)，然后依次用乙醇和超(chao)(chao)純(chun)水進行沖洗(xi)。

1.2實驗試(shi)劑

水(shui)為超純水(shui)(18.2 MΩ·cm)，通過Milli-QA10系統獲得。為了保證水(shui)中的(de)氣(qi)體溶解度(du)，實驗中的(de)用(yong)水(shui)需要提前用(yong)潔凈的(de)燒杯取超純水(shui)80 mL在(zai)空氣(qi)中平衡12 h，所(suo)用(yong)的(de)乙醇(chun)也采用(yong)同樣的(de)方法處理。實驗中用(yong)的(de)丙酮(tong)和乙醇(chun)為優級醇(chun)。