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基于AFM胶体探针测量液固界面DLVO力及表面电势

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实验流体力学 2017年第4期31卷 16-21页

作者：田维芳郑旭李战华徐征大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100190

表面电势是微纳流控芯片中流体流动的重要参数。本文介绍了基于AFM胶体探针技术测量液固界面DLVO力并进一步测量表面电势及表面电荷密度的方法。本文改进了胶体探针制作的技术手段,并提出用双探针法测量胶体探针的弹性系数。在0.1~1mM... 详细信息

表面电势是微纳流控芯片中流体流动的重要参数。本文介绍了基于AFM胶体探针技术测量液固界面DLVO力并进一步测量表面电势及表面电荷密度的方法。本文改进了胶体探针制作的技术手段,并提出用双探针法测量胶体探针的弹性系数。在0.1~1mM浓度范围内的NaCl溶液中,测量了硅、二氧化硅和氮化硅液固界面双电层内的DLVO力及表面电势。实验结果表明胶体探针技术可以很好地测量液固界面的DLVO力,尤其对静电力指数变化段非常敏感。通过DLVO力曲线可以间接测量表面电势、表面电荷密度等重要参数,是微纳流动及界面属性测量的有效手段。此外,在不同硅基材料表面的测量结果显示了硅烷醇基密度对表面电势起主导作用,可以通过选用不同硅烷醇基密度的材料来有效调控表面电势,从而在硅基材料制作的微流控芯片中调控电动流动的强弱。

关键词： AFM 胶体探针液固界面 DLVO力表面电势

SiO2胶体探针的制备及其在表面力测定中的应用

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电子显微学报 2009年第3期28卷 214-218页

作者：臧利杰葛小鹏涂华民王东升刘华亭汤鸿霄中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室北京100085 河北师范大学化学与材料科学学院河北石家庄050016

采用一种新方法——双向三维移动平台法制备胶体探针,该方法使用两个三维移动平台,同时将CCD与长工作距离显微镜集成,组成视频监视系统来监控探针的整个制备过程,方便了操作。利用此自组装装置制备的二氧化硅胶体探针在原子力显微镜上... 详细信息

采用一种新方法——双向三维移动平台法制备胶体探针,该方法使用两个三维移动平台,同时将CCD与长工作距离显微镜集成,组成视频监视系统来监控探针的整个制备过程,方便了操作。利用此自组装装置制备的二氧化硅胶体探针在原子力显微镜上进行力曲线测量,将分析数据与Ducker的经典论文进行对照,得到较为理想的结果。

关键词：原子力显微镜胶体探针针尖制备力曲线

二氧化硅胶体探针的制备及其在模拟颗粒物间相互作用力测定中的应用

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二氧化硅胶体探针的制备及其在模拟颗粒物间相互作用力测定中的应...

作者：臧利杰河北师范大学

学位级别：硕士

论文以建立胶体探针的制备及其模拟颗粒物间相互作用力的测定方法体系为目标,首先介绍了原子力显微镜的发展史,工作原理和工作模式,综述了水体中颗粒物的表面电荷特征,并就有关颗粒物相互作用力的基础理论及其计算方法(包括范德华力,双... 详细信息

论文以建立胶体探针的制备及其模拟颗粒物间相互作用力的测定方法体系为目标,首先介绍了原子力显微镜的发展史,工作原理和工作模式,综述了水体中颗粒物的表面电荷特征,并就有关颗粒物相互作用力的基础理论及其计算方法(包括范德华力,双电层理论,DLVO理论和Derjaguin近似)进行了归纳整理。论文详细论述了适用于作为胶体探针针尖的球形颗粒的制备和胶体探针的制备方法,并重点探讨了力曲线的测量和力距离曲线的转化方法。从深入了解用作胶体探针针尖的颗粒物特征入手,制备了实验所需的羟基聚合铝絮凝剂(PAC1)。在对胶体探针的制备方法进行文献调研基础上,完成了胶体探针制备装置的搭建工作,制备了理想的二氧化硅胶体探针,同时发明了一种新的制备胶体探针的方法-双向移动平台法。将制备的胶体探针应用在原子力显微镜的液池中,进行了不同离子强度NaCl溶液中的力曲线的测量。采用Cleveland方法对悬臂的弹性常数进行了标定,将原始的力-位移曲线数据转化为力-距离曲线或力/半径-距离曲线,并将实验结果与Ducker经典论文进行了对照。在此基础上,在不同离子强度的NaCl溶液中,使用吸附了PAC1的二氧化硅胶体探针进行了力的测量,尝试来研究PAC1的混凝作用机理。从而,初步建立胶体探针模拟颗粒物间相互作用力测定的方法,达到了预期的目的。得到的研究结果和结论主要有以下几点: 1、实验采用的二氧化硅颗粒球形度高,表面比较光滑,能够适用于胶体探针的制备;实验采用的硅晶片,粗糙度很低,完全能够满足模拟实验样品的制备要求。 2、在双线法和悬臂移动法两种文献制备胶体探针的方法基础上,发展了双向移动平台法,使胶体探针的制备操作更加简单方便,能够实现批量生产,从而为以后大量实验工作的开展奠定了良好的基础。该方法能够粘结2μm左右甚至更小的的SiO颗粒作为针尖,而且在粘结效果上也非常理想。同时,这种方法是一种通用的方法,只要是适合用于作为胶体探针针尖的颗粒物,直径在1μm以上的都可以用这种方法制备,具有广阔的发展应用前景。 3、弹性常数的标定采用通用的Cleveland法,得到较为理想的数据处理结果。该方法测量参数较为简单,计算误差相对较小,是比较理想的弹性常数的标定方法。同时,笔者认为使用Cleveland提到的测量未粘结颗粒和粘结颗粒后的悬臂的共振频率来标定弹性常数,也是一种十分具有潜力的标定方法。 4、力曲线的转化过程中,主要使用了利用Excel手动处理和使用MATLAB程序处理两种方法。在深刻理解了数据转化原理的基础上,详细的阐述了数据的具体转化方法,为数据的科学处理提供了保障。 5、初步建立起从制备胶体探针到在原子力显微镜上应用胶体探针来模拟颗粒物间的作用力测定的方法。详细研究了灵敏度常数、弹性常数的标定方法和数据后处理方法,为应用胶体探针模拟颗粒物间相互作用过程及机理的进一步研究打下了坚实的基础。

关键词：原子力显微镜 DLVO理论胶体探针力曲线

二氧化硅胶体探针微球磨损过程的原子力显微镜研究

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二氧化硅胶体探针微球磨损过程的原子力显微镜研究

作者：陈新强哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)已经广泛用于表面力测量。研究者常把微球粒子粘在AFM弹性悬臂上测量表面力。但是在力测量过程中,微球与不同的表面接触会产生不同程度的磨损、污染,从而影响AFM表面力测量的准确性。AFM使... 详细信息

原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)已经广泛用于表面力测量。研究者常把微球粒子粘在AFM弹性悬臂上测量表面力。但是在力测量过程中,微球与不同的表面接触会产生不同程度的磨损、污染,从而影响AFM表面力测量的准确性。AFM使用者已经开始注意到在测量表面力过程中胶体探针微球的磨损,但都没有对胶体探针的磨损及其对表面力测量的影响进行系统的研究。本文采用“无线法”在AFM悬臂上粘结直径为5μm二氧化硅微球,获得无污染的胶体探针;利用Piranha溶液分别清洗玻璃、AlO得到清洁的磨损表面;第一次采用AFM反成像技术,系统的研究了二氧化硅胶体探针微球在云母、玻璃、AlO三种基底上的磨损过程;并研究了磨损对表面力测量的影响。控制磨损条件,采用反成像技术研究具有不同硬度、不同粗糙度的云母、玻璃、AlO三种基底对微球磨损的影响。二氧化硅胶体探针微球的磨损不仅与基底的粗糙度有关,而且还与其表面的硬度有关。发现负载力为800nN,磨损区域为1μm×1μm,磨损120min,在粗糙度最大的玻璃上磨损后,微球表面形貌变化最大;在最硬的AlO上磨损后微球表面形貌变化次之;在粗糙度最小、硬度最小的云母上磨损后微球表面形貌变化最小。微球磨损后,立即用AFM研究微球与不同基底和云母上(基准样品)粘附力的变化情况。粘附力在基底和云母上都会增大,而且随磨损时间增加,直到60分钟,粘附力的增大速度较快;随后随着磨损的进行,粘附力的增大速度逐渐减缓。粘附力的增大的原因是:微球磨损后部分材料被削去形成平台,且平台直径逐渐增大,导致胶体探针微球和基底表面之间的有效接触面积增大。对比在玻璃和云母上磨损后的粘附力变化,发现随磨损时间的增加,120min后,在玻璃上测得的粘附力增加了6.37倍,在云母上测量的粘附力变化更快-增加了55.52倍。对比在AlO和云母上磨损后的粘附力变化,也发现了类似的变化规律。

关键词：原子力显微镜胶体探针磨损表面力反成像技术

典型构筑植物表面不同湿度条件下黏附和摩擦特性研究

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机械工程学报 2017年第21期53卷 86-94页

作者：王玉娟宋小闯杨决宽毕可东陈云飞东南大学机械工程学院南京211189 东南大学江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室南京211189

利用原子力显微镜的胶体探针技术,对不同湿度条件下四种具有典型构筑(光滑二维蜡质层、微褶皱、大褶皱、三维蜡质晶体)的原始植物表面以及两种氯仿处理后的植物样品表面的黏附力和摩擦力进行定量测试和分析。试验结果表明:冬青叶表面光... 详细信息

利用原子力显微镜的胶体探针技术,对不同湿度条件下四种具有典型构筑(光滑二维蜡质层、微褶皱、大褶皱、三维蜡质晶体)的原始植物表面以及两种氯仿处理后的植物样品表面的黏附力和摩擦力进行定量测试和分析。试验结果表明:冬青叶表面光滑二维蜡质涂层降低了其表面能和亲水特性,这不仅降低胶体探针与其表面在干燥条件下固固接触的摩擦力和黏附力,而且有效地阻碍了小湿度条件下液桥的形成,提高了其在小湿度条件下的脱附性能;荔枝叶表面微褶皱结构特征增大了固固接触的缝隙,不利于空气中的水蒸气冷凝并在毛细力的作用下形成液桥,从而在更大的湿度范围内提高了其脱附能力,脱附效果优于二维蜡质涂层;仙客来表面大褶皱特征和猪笼草表面三维蜡质晶体能有效排除接触界面附近的水蒸气,在干燥条件和高湿度条件下均能保持高效脱附功能,而猪笼草表面的微结构特征和蜡质晶体低表面能的耦合作用使其具有比仙客来表面大褶皱结构特征更优良的脱附功能。这些研究成果为仿生反黏附表面的设计和制备提供了理论依据。

关键词：胶体探针湿度黏附力摩擦力典型构筑

运用原子力显微镜研究电解质溶液中白云母与二氧化硅间的相互作用力(英文)

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中国有色金属学会会刊：英文版 2013年第6期23卷 1783-1788页

作者：蒋昊谢珍刘国蓉俞亚文张丁中南大学资源加工与生物工程学院长沙410083

运用原子力显微镜研究了二氧化硅胶体探针(直径,5μm)与白云母表面之间在电解质溶液环境下的相互作用力。试验考察了平衡时间、电解质浓度和溶液pH值对相互作用力的影响。实验结果表明,电解质浓度和溶液pH值对白云母/二氧化硅之间相互... 详细信息

运用原子力显微镜研究了二氧化硅胶体探针(直径,5μm)与白云母表面之间在电解质溶液环境下的相互作用力。试验考察了平衡时间、电解质浓度和溶液pH值对相互作用力的影响。实验结果表明,电解质浓度和溶液pH值对白云母/二氧化硅之间相互作用力及粘附力都产生显著的影响。在低电解质浓度和高的溶液pH值条件下,观察到一个很强的长程排斥力;而在高电解质浓度和低pH值条件下,两表面之间产生一个弱的长程吸引力。随着电解质浓度的增加,相互作用力从强的排斥力变化到强的吸引力。当溶液pH值在5.8～10.2时,相互作用是单调的排斥力;当溶液pH值降低至3.4时,在距离22～32nm处出现一个弱的吸引力。在低浓度或低pH值下,白云母与二氧化硅之间的粘附力比较大,随着电解质浓度和溶液pH值的增加,粘附力不断减小,最后相对稳定。运用经典DLVO理论对相互作用力进行理论计算,与实验曲线基本一致。

关键词：相互作用力原子力显微镜白云母胶体探针 DLVO

水质条件对膜-羧基官能团之间微观作用力的影响特征

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中国环境科学 2015年第5期35卷 1403-1409页

作者：王磊田莉苗瑞王旭东吕永涛西安建筑科技大学环境与市政工程学院陕西西安710055

为了探讨p H值、离子强度及膜材料对膜-污染物间相互作用力的影响特征,利用自制的典型膜污染物羧基官能团胶体探针,结合原子力显微镜定量考察了羧基官能团与PVDF及EVOH超滤膜间的相互作用力随p H值及离子强度的变化特征.结果表明：带有... 详细信息

为了探讨p H值、离子强度及膜材料对膜-污染物间相互作用力的影响特征,利用自制的典型膜污染物羧基官能团胶体探针,结合原子力显微镜定量考察了羧基官能团与PVDF及EVOH超滤膜间的相互作用力随p H值及离子强度的变化特征.结果表明：带有羧基基体的污染物与PVDF及EVOH超滤膜之间的相互作用力皆随着p H值的增大而减小;但是上述作用力随着离子强度的增加呈现特殊的变化趋势：在离子强度为0~10mmol/L时,膜-带有羧基基体的污染物之间相互作用力随着离子强度的增加而增大;在离子强度为10~500mmol/L时,膜-羧基之间相互作用力随着离子强度的增大而减小.在特定的水质条件下,EVOH-羧基间的作用力远小于PVDF-羧基之间的作用力.

关键词：膜污染胶体探针相互作用力膜材料水质条件

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聚乙烯颗粒间范德华力的原子力显微镜测量

化学反应工程与工艺 2020年第4期36卷 319-324,355页

作者：黄正梁洪颖田思航杨遥王靖岱阳永荣浙江省化工高效制造技术重点实验室浙江大学化学工程与生物工程学院浙江杭州310027

聚乙烯颗粒团聚结块问题是影响乙烯聚合流化床反应器稳定运行的技术难题。以高密度聚乙烯(HDPE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)为研究对象,采用原子力显微镜和胶体探针,测量了聚乙烯颗粒之间的范德华力并与模型计算值进行了比较。在本研究... 详细信息

聚乙烯颗粒团聚结块问题是影响乙烯聚合流化床反应器稳定运行的技术难题。以高密度聚乙烯(HDPE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)为研究对象,采用原子力显微镜和胶体探针,测量了聚乙烯颗粒之间的范德华力并与模型计算值进行了比较。在本研究实验条件下,HDPE颗粒间范德华力和LLDPE颗粒间范德华力为9.70~17.77 nN,处于同一数量级,但数值略有差异。聚乙烯颗粒间范德华力与颗粒表面粗糙度及粒径相关,表面粗糙度的影响更大。根据实验结果对范德华力计算公式中的Hamaker常数进行修正,计算得到的范德华力随颗粒间距离变化的趋势与实验结果吻合较好。研究结果可为乙烯聚合流化床反应器中颗粒团聚调控提供基础数据。

关键词：原子力显微镜胶体探针聚乙烯范德华力

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利用原子力显微镜对疏水力的测量研究

利用原子力显微镜对疏水力的测量研究

作者：徐辉浙江大学

学位级别：硕士

论文对使用原子力显微镜对表面力,特别是疏水性作用力曲线测量技术中胶体探针的制备方法、探针悬臂弹性系数的标定和原子力显微镜疏水性作用力测量结果的评价标准等几个基础性问题进行了研究。论文对近二十多年来使用原子力显微镜对表... 详细信息

论文对使用原子力显微镜对表面力,特别是疏水性作用力曲线测量技术中胶体探针的制备方法、探针悬臂弹性系数的标定和原子力显微镜疏水性作用力测量结果的评价标准等几个基础性问题进行了研究。论文对近二十多年来使用原子力显微镜对表、界面作用力,特别是疏水性作用力的研究进行了文献综述。对传统的玻璃微球粘结方法、AFM机械打磨方法和化学刻蚀方法制备胶体探针的实验技术进行了比较研究,对几何尺寸法、Cleveland法和Sader法标定原子力显微镜探针悬臂的弹性系数进行了实验研究,对原子力显微镜疏水性作用力曲线测量的准确性的评价标准进行了讨论。研究结果表明,(1) 采用化学刻蚀法制备胶体探针在加工工艺上简单易行,并能有助于减小原子力显微镜疏水性作用力曲线测量过程中探针头部的流体阻力,更适合于疏水性作用力曲线的原子力显微镜测量的研究;(2) 若以Sader法为基准,用几何尺寸法标定原子力显微镜探针悬臂弹性系数的平均误差不小于8%,Cleveland法标定的悬臂弹性系数的平均误差约为3.5%,根据国内实验条件和本课题组的实际情况,建议采用Cleveland法对所用探针的弹性系数进行标定;(3) 提出并建议以粘滞力或界面能作为判断原子力显微镜疏水性作用力曲线测量准确性的可能标准之一。

关键词：疏水性作用力原子力显微镜胶体探针化学刻蚀