CN2630837Y - 基于醇水替换在云母表面形成纳米气泡的装置 - Google Patents

Abstract

一种基于醇水替换在云母表面形成纳米气泡的装置，原子力显微镜的头部放着液槽，液槽上夹放的针尖与云母基底表面间的距离为40微米左右，液槽中嵌放O－圈，使液槽和云母表面形成一个密闭的间隙，进出液管通过转接头连接到液槽的中孔与边孔。本实用新型利用了蠕动泵注入液体并利用O－圈使液槽与云母之间形成密闭的间隙，进行水－乙醇－水不同液体的替换，可重复地实现在亲水固体表面形成纳米气泡，并实现了用原子力显微镜对纳米气泡直接进行观察，同时有效地防止成像过程中O－圈变形及液体挥发带来的不利影响。

Description

基于醇水替换在云母表面形成纳米气泡的装置

技术领域

本实用新型涉及一种形成纳米气泡的装置，具体地说，是一种基于醇水替换在云母表面形成纳米气泡的装置，使纳米气泡的形成具有较好的重现性，有利于用原子力显微镜(AFM)对固液界面的纳米气泡进行观察检测。

背景技术

不论在基础研究领域还是在应用学科，固液界面的纳米气泡都是一个倍受关注的问题。根据经典热力学，气泡的体积越小，内部的压力就越大，而压力大必然导致气泡破裂。理论上，室温下水中纳米气泡是不能稳定存在的。随着对疏水表面长程引力研究的深入，越来越多的研究结果证实固液界面的纳米气泡是引起疏水长程作用力的本质。实际上，纳米气泡的存在可能与胶粒的分散和稳定、矿石浮选、食品性状的保持等方面有密切关系。但由于纳米气泡体积小，又很柔软，无法用光学方法检测，直到最近液体中轻敲模式的原子力显微镜的出现，才使纳米气泡的检测成为可能。已经有几个研究组用原子力显微镜直接观察到固液界面的纳米气泡，这些都为纳米气泡的存在提供了证据。

目前许多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 and K.Higashitani，Langmuir 2000；16，P5681.)。他们是以疏水修饰的固体表面为AFM成像基底，向液槽中注入水后，观察固体表面的纳米气泡。由于水中溶解的气体量有限，利用疏水表面直接从水中吸附形成纳米气泡的重复性不高。同时，疏水表面会在空气中吸附气体，水还会在疏水表面空化形成水蒸汽，这样形成的纳米气泡的数量具有很大的不确定性。疏水修饰的过程也无法保证每一次得到的表面具有相同的化学和物理特性。这些因素造成目前固液界面纳米气泡的研究结果之间没有可比性，成为深入研究纳米气泡的一个障碍。亲水的、平整的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。系统地、深入地研究纳米气泡非常需要一种即能够实现在亲水的、平整的表面可重复地形成纳米气泡，又能够实现AFM对纳米气泡进行观察的装置。云母是一种典型的亲水表面，它的表面结构很清楚，在表面科学中常常以它为基底。研究云母这种平整、亲水的表面形成的纳米气泡有助于对纳米气泡相关现象的理论解释，为以后在更复杂的表面上研究纳米气泡奠定基础。

现有采用醇水替换形成纳米气泡的装置，(S.T.Lou，Z.Q.0uyang，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 andJ.Hu，Mater.Charact.2002；48，P211)是以云母表面为AFM成像基底，用手推注射器向液槽中注入乙醇和水后，观察固体表面的纳米气泡。但无法控制注入液体的流速，其它条件也没有经过精细调整，形成和观察纳米气泡的可重复性不强。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于醇水替换在云母表面形成纳米气泡的装置，结构简单，容易操作，纳米气泡的形成具有较好的重现性，并能实现用原子力显微镜对纳米气泡进行观察，可作为对固液界面的纳米气泡进行深入、系统研究的基础设备。

为实现这样的目的，本实用新型提供的基于醇水替换在云母表面形成纳米气泡的装置，主要包括原子力显微镜、盛放水和乙醇的容器、蠕动泵、进出液管、废液缸和液槽。原子力显微镜的头部放着液槽，液槽上夹放的针尖与云母基底表面间的距离为40微米左右，液槽中嵌放O-圈，使液槽和云母表面形成一个密闭的间隙，进出液管通过转接头连接道液槽的中孔与边孔，将水-乙醇-水按顺序注入到液槽和云母表面的密闭间隙中，可在云母表面形成纳米气泡。

本实用新型的装置具体结构为：AFM扫描头上放有圆形铁片，扫描头部具有磁性能将铁片牢牢吸住。铁片上方是被双面胶粘住的云母，云母大小与铁片相当。云母上表面是新鲜的解离面，在云母上方是被AFM头部的两个夹子牢牢固定住的液槽。液槽是用石英制成的，中间具有夹放AFM针尖基座的小弹簧夹，AFM针尖的悬臂是三角形，针尖在顶端，朝向云母基底。检测激光可以通过液槽打在针尖的悬臂上，再通过液槽反射到检测器上。液槽底面有一圆形的凹陷，O-圈正好可以嵌放在其中。O-圈是用硅胶制成的，具有一定的可压缩性，它能使液槽与云母之间形成一个密封的间隙。间隙中可盛放液体，并且能够进行不同液体在云母表面进行替换。间隙中液体的量能在较长时间内不会明显减少。

液槽的前侧有两个孔，分别是边孔和中孔，进液管一端通过转接头与液槽的边孔相接，另一端通过蠕动泵的泵头插入到盛放液体的容器中，出液管一端通过转接头与液槽的中孔相接，另一端接到废液缸中，容器中盛放着所要注入的液体为水或乙醇。出液管和进液管上均带有一个调节夹子控制进出液的通断。

装置使用时，先利用步进马达将针尖与云母表面的距离调节到40微米左右，防止针尖与表面的初始距离太远而造成O-圈的变形太大，对纳米气泡的观察造成不利影响。

注入液体形成纳米气泡的过程分为三步。第一步，打开进、出液管上的夹子，打开蠕动泵，将水缓慢泵入液槽中。约泵过1ml的水以后，停止蠕动泵，夹好进、出液管。驱近针尖，AFM成像。如表面不干净，表明这过程有污染，需要换一片新的、干净的云母，重新做。第二步，打开进、出液管上的夹子，打开蠕动泵，将乙醇缓慢泵入液槽，置换出液槽中的水。泵过足量的乙醇后，停止蠕动泵，夹好进、出液管。驱近针尖，AFM成像。表面应该是干净的，如不干净表明有污染带入。第三步，打开进、出液管上的夹子，打开蠕动泵，再将水缓慢泵入液槽，置换出液槽中的乙醇。当液槽中的乙醇被替换完全后，停止蠕动泵，夹好进出管。驱近针尖，AFM成像。这时可以观察到一些纳米级气泡，气泡的多少、大小与形成时的条件有关。

在形成纳米气泡过程中，注入液体的顺序为水-乙醇-水，第一步注入水是为了防止水中有污染，形成纳米气泡必需的是第二和第三步。重复注入液-成像的步骤可以避免液体中带入的污染颗粒。同时，利用蠕动泵能够实现精确地控制每一次液体的注入速度，从而保证纳米气泡的形成条件具有良好的可重复性。

本实用新型的装置结构简单，由于利用了蠕动泵注入液体并利用O-圈使液槽与云母之间形成密闭的间隙，可以进行乙醇和水不同液体的替换，可重复地实现了在亲水固体表面形成纳米气泡。本实用新型能够利用AFM对纳米气泡直接进行观察，同时有效地防止成像过程中O-圈变形及液体挥发带来的不利影响。

附图说明

图1为本实用新型装置结构示意图。

图1中，1为原子力显微镜(AFM)，2为盛放水和乙醇的容器，3为蠕动泵，4为卡子，5为进液管，6为出液管，7为废液缸，8为液槽。

图2为本实用新型液槽的具体结构示意图。

图2中，5为进液管，6为出液管，9为O-圈，10为针尖。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

由图1所示，本实用新型主要包括原子力显微镜1、盛放水和乙醇的容器2、蠕动泵3、进液管5、出液管6、废液缸7和液槽8。原子力显微镜1的扫描头放有铁片，铁片上粘着云母，液槽8置于云母上方。进液管5是长约1米、外径3毫米、内径1毫米的硅胶管，一端通过转接头与液槽8的边孔相接，另一端通过蠕动泵3的泵头插入到盛放液体的容器2中，出液管6一端通过转接头与液槽8的中孔相接，另一端接到废液缸7中。容器2中盛放着所要注入的液体为水或乙醇，出液管6和进液管5上均带有一个调节夹子4控制进出液的通断。

原子力显微镜用的液槽8内部结构如图2所示。液槽8上具有夹放AFM针尖10的小弹簧夹，液槽8上的针尖10距离云母表面约为40微米。液槽8内嵌放O-圈9，使液槽8与云母上表面之间形成一个密封的间隙。间隙中可盛放液体，并且能够进行不同液体在云母表面的替换，液体量可以在较长时间内不会明显减少。

液槽8的前侧有边孔和中孔，通过转接头分别连接进液管5和出液管6。

装置搭建时，先在不放O-圈9、不连进液管5和出液管6的条件下，在空气中使针尖10驱近云母表面。驱近完成后，用步进马达将针尖10抬起。针尖10离云母表面40微米时，停止驱近。取下液槽8，将O-圈9放入液槽8中，完成装置的搭建。利用步进马达可以精确控制针尖10与云母表面的距离，可以防止针尖10与表面的初始距离太远，从而造成O-圈9的变形太大。O-圈9变形太大会对纳米气泡的观察造成很不利的影响。

装置使用时，蠕动泵3通过进液管5输送容器2中盛放的水，速度可以在0.5ml/min-3ml/min之间，注入液体时两个夹子4都是打开的。原子力显微镜(AFM)1的头部放着液槽8，液槽上夹放的针尖10与云母基底表面的距离只有40微米左右。液槽中嵌放的O-圈9和云母基底表面形成一个密闭的间隙，液槽进液管5通过转接头与液槽的中孔相接，将液体注入到间隙中。多余的水通过液槽的边孔经液槽出液管6排出到废液缸7中。输入约1ml水后，停止蠕动泵，关上两个夹子4。AFM成像确认没有污染后，打开夹子4，按照同样的方法注入足量的乙醇替换O-圈9和基底的间隙中水。再次确认没有污染，再注入足量的水替换乙醇。这时可以在云母/水界面上形成纳米气泡，并可以用AFM对其进行直接观察。

在形成纳米气泡过程中，重复注入液-成像的步骤可以避免液体中带入的污染颗粒。同时，利用蠕动泵3能够实现精确地控制每一次液体的注入速度，从而保证纳米气泡的形成条件具有良好的可重复性。

Claims (1)

1、一种基于醇水替换在云母表面形成纳米气泡的装置，其特征在于包括原子力显微镜(1)、盛放水和乙醇的容器(2)、蠕动泵(3)、进液管(5)、出液管(6)、废液缸(7)和液槽(8)，原子力显微镜(1)扫描头的铁片上粘着云母，液槽(8)置于云母上方，进液管(5)一端通过转接头与液槽(8)的边孔相接，另一端通过蠕动泵(3)的泵头插入到盛放液体的容器(2)中，出液管(6)一端通过转接头与液槽(8)的中孔相接，另一端接到废液缸(7)中，出液管(6)和进液管(5)上均带有一个调节夹子(4)控制进出液的通断，液槽(8)上夹放的原子力显微镜针尖(10)距离云母表面为40微米，液槽(8)内嵌放O-圈(9)，使液槽(8)与云母上表面之间形成一个密封的可盛放液体的间隙。

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