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环境工程技术学报 2022年第4期12卷 1298-1309页

作者：方衡鑫胡钧张立娟中国科学院上海应用物理研究所中国科学院大学中国科学院上海高等研究院上海光源中心

纳米气层是一种存在于固液界面上的准二维纳米结构的气态聚集体,科学家历经10多年的研究,其至今仍存在许多未解之谜。基于现有的研究成果,对纳米气层研究的主要问题及重要进展进行梳理与概述,主要介绍了纳米气层的基本性质,论述了纳米... 详细信息

纳米气层是一种存在于固液界面上的准二维纳米结构的气态聚集体,科学家历经10多年的研究,其至今仍存在许多未解之谜。基于现有的研究成果,对纳米气层研究的主要问题及重要进展进行梳理与概述,主要介绍了纳米气层的基本性质,论述了纳米气层与纳米气泡的结构关系以及共存系统的动态平衡过程,归纳了该领域最新前沿研究所关注的重要科学谜题与主要挑战,如纳米气层的气相真实性、稳定性、结构有序性及气层的高效制备等问题,并提出了一些解决思路。在展现纳米气层过往研究历程的同时,也展望了未来纳米气层技术在一些重要界面反应中的可能应用。

关键词：纳米气层原子力显微镜纳米气泡固-液界面石墨表面

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HOPG/水界面纳米气泡与纳米气层的原子力显微技术研究

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电子显微学报 2013年第2期32卷 122-126页

作者：赵彬钰张立娟张益李宾胡钧中国科学院上海应用物理研究所物理生物学研究室上海201800 中国科学院研究生院北京100049

纳米气泡在固液界面上的存在已得到基本证实,它是近十年来表面科学领域的研究热点之一。对纳米气泡的自身性质及其影响因素已经开展了多方面的研究,而针对纳米气层的研究相对较少,但它可能是影响纳米气泡稳定性的原因之一。本文利用原... 详细信息

纳米气泡在固液界面上的存在已得到基本证实,它是近十年来表面科学领域的研究热点之一。对纳米气泡的自身性质及其影响因素已经开展了多方面的研究,而针对纳米气层的研究相对较少,但它可能是影响纳米气泡稳定性的原因之一。本文利用原子力显微镜的轻敲模式(TMAFM)观测了高序热解石墨(highly ordered pyrolyticgraphite,HOPG)/水界面纳米气泡与气层的形貌特征,并比较了二者的高度和横向尺寸,重点分析了纳米气层在短时间内的变化对其自身和其上的纳米气泡形貌的影响。结果显示,气层收缩变小时,其上的气泡变矮;气层间融合变大时,其上的气泡变高。该结果进一步加深了对纳米气泡和纳米气层及二者间联系的认识,将有助于理解纳米气泡的稳定性。

关键词：纳米气泡纳米气层界面原子力显微镜稳定性

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替换法制备纳米气泡及温度对其影响的研究

替换法制备纳米气泡及温度对其影响的研究

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作者：管旻上海师范大学

学位级别：硕士

纳米气泡最早是在研究当两个疏水物体浸入液体中的疏水长程引力(LRHAF)的作用机制中发现的。自从Blake和Kitchener两人第一次做这个实验以来并提出LRHAF的机制，对这个机制的争论就没有停止过。目前人们能很好的理解对有些疏水长程引力... 详细信息

纳米气泡最早是在研究当两个疏水物体浸入液体中的疏水长程引力(LRHAF)的作用机制中发现的。自从Blake和Kitchener两人第一次做这个实验以来并提出LRHAF的机制，对这个机制的争论就没有停止过。目前人们能很好的理解对有些疏水长程引力是由于有气体物在液体和疏水的固体界面上存在，这些气体物被称作纳米气泡。由于纳米气泡比可见光的波长还要小，所以通过光学手段来观测纳米气泡是不合适的;目前研究纳米气泡最主要的工具还是原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)，但是由于原子力显微镜接触模式(Contact Mode Atomic Force Microscopy, CMAFM)下的作用力对于柔软的纳米气泡来说太大了，容易刺破气泡，所以不适合用CMAFM来对纳米气泡成像。纳米气泡存在于水和疏水界面上最直接的证据还是原子力显微镜轻敲模式(Tapping ModeAtomic Force Microscopy, TMAFM)在各种各样的疏水界面上的图像。从此，纳米气泡在各个领域都引起了广泛关注。产生纳米气泡的方法有很多，如直接浸渍法，两种溶剂替换以及快速加热，电化学法等。其中，醇水替换被广泛应用并被证明是能高度重复的在不同基底上获得大量纳米气泡的有效方法。同样，也能使用其它有机溶剂与水替换来产生纳米气泡。然而，有机溶剂与水的替换存在着一些局限性，例如不能用于生物膜上，溶剂中易引入有机污染物等。因此，有必要建立新的方法来制备纳米气泡。在本论文中，主要是通过冷水和热水替换即温差法来制备纳米气泡，结果表明温差法在一定的温度范围内能在疏水的HOPG表面形成纳米气泡。通过不同的成像模式、相图、接触角、针尖对气泡的影响及脱气对照实验等方面一一验证了温差法产生的就是纳米气泡。通过温差法在疏水的HOPG表面上产生的纳米气泡的高度、大小及数量在热水温度达到37℃之前都随温度的升高而增大;其高度和大小都在37℃达到最大值，而数量却是在38℃达到最大值。为了更好的研究温差法产生的纳米气泡的性质，我们计算了每平方微米气泡的总体积，结果表明当热水温度为37℃时每平方微米气泡的总体积最大，即在这个温度下释放的气体量最多，纳米气泡在这个温度下比较容易形成。对温差法产生的纳米气泡的接触角进行了计算，发现在HOPG表面上形成的纳米气泡的接触角在一个比较稳定的范围内变化(160°–170°)，这可能与基底的性质有关。曲率半径的计算结果表明温差法产生的纳米气泡的曲率半径在200nm–1000nm范围内变化，与醇水替换法相比，产生的气泡可能要小些。温差法不仅能产生纳米气泡，还能产生其它形式的气体形态。如纳米气泡，纳米气层以及纳米气泡坐落在纳米气层上的双层结构都能同时存在。纳米气层的高度大约为2.5nm，直径大约为700nm。双层结构的第一层高度约为1.5nm，第二层的高度大约为10nm。这些性质与其他研究者所到的纳米气泡的性质一致。运用同步辐射软X射线技术对温差法产生的纳米气泡进行验证，对充入CO气体的溶液替换后的样品进行检测，在CO特征吸收峰附近检测到强吸收峰，证实体系中存在含CO气体的纳米气泡，初步得到温差法产生纳米气泡的内部信息。

关键词：纳米气泡温差法 AFM HOPG–水界面纳米气层 STXM

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纳米气泡与疏水相互作用的分子动力学研究

纳米气泡与疏水相互作用的分子动力学研究

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作者：李伟健浙江师范大学

学位级别：硕士

疏水相互作用在许多生物和化学现象中起到关键作用,例如蛋白质的折叠、膜的渗透、细胞中生物分子的自组装、胶体的组装、水在纳米通道中的输运和离子通道的开关。长程疏水相互作用将导致表面纳米气层的出现,理论和实验工作也验证了表面... 详细信息

疏水相互作用在许多生物和化学现象中起到关键作用,例如蛋白质的折叠、膜的渗透、细胞中生物分子的自组装、胶体的组装、水在纳米通道中的输运和离子通道的开关。长程疏水相互作用将导致表面纳米气层的出现,理论和实验工作也验证了表面纳米气泡的存在。表面纳米气泡在气体储存、清洁燃料电池等领域上有优秀的应用前景。甲烷是最简单的有机物,是天然气、沼气和可燃冰等的主要成分。近年来,根据氢燃料电池的制作原理,高燃烧热的甲烷也被用于设计甲烷燃料电池。甲烷燃料电池的效率高、污染低。而且甲烷燃料电池的成本大大低于传统燃料电池。甲烷的储存是电池生产过程中的关键技术。高密度的甲烷气体的吸附可以作为一种可行的手段。因此,有关水中表面对甲烷气体的吸附规律研究对于提高燃料电池的性能和优化气体分离设备的性能有很大的帮助。疏水表面还会引起一个有趣的现象,被称为反浸润转变(Dewetting transition)。反浸润转变指的是纳米尺度下,当两块疏水表面靠的足够近时,即使它们之间的距离足够容纳多层水分子,两层表面之间的水分子依然会被排出。两层表面之间的水分子数量的减少将导致长程疏水相互作用。这种由水导致的长程疏水相互作用被认为对大部分生物结构在水环境中的稳定性起到决定性作用。例如,在球蛋白的折叠过程中,普遍认为疏水基团是被由反浸润导致的长程疏水相互作用拉到一起的。然而,生物分子结构的复杂性导致从实验上去理解反浸润转变和疏水相互作用在生物现象中起到的作用和机制十分困难,同时也难以考虑气体分子等常见小分子的影响。因此,通过分子动力学研究模型疏水表面的反浸润转变现象成为一个可行而有效的方法。在本文中我们通过分子动力学模拟,我们研究了温度对石墨平面吸附水环境中甲烷分子过程的影响和氮气分子对两层表面之间排水的临界距离和疏水相互作用的影响和机制。主要内容如下:第一章、主要介绍了表面纳米气层和疏水相互作用的研究现状,介绍了本文主要的研究方法和内容。第二章、简略的介绍了分子动力学模拟,包括基本理论和方法、能量最小化、粒子之间的相互作用、统计系综、分子动力学的积分算法、粒子网格Ewald算法和进行分子动力学模拟的流程。第三章、通过MD方法,详细研究并分析了不同温度情况下多层石墨烯平面吸附水中甲烷分子的现象和机理。第四章、构建了两块疏水表面组成的理想模型系统,在两块表面之间加入一定数量的氮气分子,通过改变加入表面之间氮气分子的数量,分析了不同数量的氮气分子对反润湿转变临界距离的影响。通过对系统轨迹和密度分布随时间的演化的分析,我们研究了氮气分子在表面之间的行为和影响疏水相互作用的机制。第五章、总结和展望。

关键词：纳米气层反浸润转变疏水相互作用分子动力学模拟

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温差法制备纳米气泡及温度的影响

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上海师范大学学报（自然科学版） 2012年第2期41卷 134-141页

作者：管旻郭文高莲花唐雨钊胡钧董亚明上海师范大学生命与环境科学学院上海200234 中国科学院上海应用物理研究所上海201800

通过一系列的实验建立了利用冷水(4±0.1℃)和热水(25～40℃)进行替换即温差法制备界面纳米气泡的方法.原子力显微镜(AFM)观察显示:温差法也能在疏水的高序热解石墨(HOPG)表面上产生稳定的纳米气泡.统计结果显示:热水温度在25～38℃范围... 详细信息

通过一系列的实验建立了利用冷水(4±0.1℃)和热水(25～40℃)进行替换即温差法制备界面纳米气泡的方法.原子力显微镜(AFM)观察显示:温差法也能在疏水的高序热解石墨(HOPG)表面上产生稳定的纳米气泡.统计结果显示:热水温度在25～38℃范围内,产生纳米气泡的数量随着热水温度的升高而增多,当热水温度为38℃左右时达到最大值,之后随着热水温度的升高反而减少;每平方微米纳米气泡气体的总体积在37℃时达到最大值;温差法也能产生纳米气层和双层结构,其性质与前人发现的一致.

关键词：纳米气泡温差法 AFM HOPG/水界面纳米气层

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