乙醇气体诱导云母表面液滴去润湿作用机制研究

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润湿(wetting)与去润湿(dewetting)是固-液-气三个界面上的重要现象,水在云母表面的润湿过程是一个经典的模式研究体系。新解理的云母表面是亲水表面,在不同的湿度条件下云母的表面会吸附一层水膜,通过控制环境的湿度可以调节云母表面水膜的厚度。乙醇也是亲云母的,因为其OH基团能够与云母表面电荷发生电相互作用从而可以在云母表面迅速铺展。一般情况下乙醇溶于水后会降低水的表面张力,溶液的中乙醇的浓度越高,溶液的表面张力就越低,溶液就越容易在云母表面上铺展。本文发现云母表面的液滴在饱和的乙醇气氛中吸附乙醇后先去润湿收缩形成透镜结构的球冠后再逐渐地在云母表面上铺展。乙醇的吸附与溶解是会降低溶液的表面张力,表面张力下降的乙醇水溶液应该在云母表面铺展,可是为何起先收缩去润湿而后才润湿铺展呢?   除了本文报道的实验现象,也有研究报道在开放体系中云母表面的乙醇溶液因为在云母表面铺展的过程中可能形成一层看不见的膜从而会驱赶云母表面上的液滴运动。本文对此类现象进行了总结提出诱导该现象有三种可能方式:一是乙醇吸附在云母上形成一层疏水的膜从而导致对云母表面液滴的驱动,二是乙醇吸附在液滴的表面,其指向空中的疏水基团的“类膜”结构对云母有排斥作用从而导致液滴在云母表面去润湿,三是两种作用同时起作用。   本文在宏观上采用新实验设计,微观上采用新技术对该现象进行了细致的研究以及广泛的分析讨论。因为乙醇的无规则挥发特性,实验设计密闭环境中可以获得更多的细节和信息。实验发现:密闭环境中1%的乙醇溶液挥发出来的饱和乙醇气氛就能够诱导云母表面液滴去润湿,无水乙醇挥发出来的乙醇饱和气氛能够诱导云母表面液滴形成接触角为13.5°的球冠。   本文应用振动扫描极化力显微技术(VSPFM)对乙醇气体在云母表面的可逆吸附进行了原位实时观察成像,并应用正负偏压成像模式研究了乙醇气体吸附在云母表而时乙醇分子的取向,实验结果发现乙醇在云母表面的吸附层在VSPFM正偏压模式下成像高度向是正,在负偏压模式下成像高度向为负。因此我们推测云母表面乙醇吸附膜的分子取向是亲水基团朝向云母,疏水基团朝向空气。   本文对发现的新现象进行了系统的分析。云母在低湿度条件下,表面吸附的水分子极少,视为“理想”云母表而,云母在高湿度条件下会在表面会吸附一层纳米水膜。通过对比不同湿度条件下乙醇气体在云母表面的吸附,我们发现乙醇吸附在高湿度环境中的云母表面并且形成膜覆盖表面需要约30分钟,而在“理想”云母表面吸附成膜结构需要约300分钟,有时还不能形成膜。不同的吸附成膜速率这表明乙醇气体分子更倾向于与水分子相互作用。这样当一个乙醇分子在水与云母的接触线处,乙醇气体分子将倾向于通过-OH基团优先吸附于水表面,而乙醇的-CH2CH3基团将会排斥云母。所以前期的研究报道的现象可以这样解释:在云母表面铺展的乙醇液膜挥发出来的乙醇分子吸附到液滴的表面从而驱动液滴的运动,不是乙醇在云母表面形成稳定的膜驱动液滴。   根据实验结果分析,乙醇诱导云母表面液滴去润湿现象的机制是三种可能性中的第二种为主,即挥发性双亲分子吸附在液滴表面,亲水-OH基团朝向液滴,其疏水-CH2CH3基团于液滴表面形成动态稳定的疏水基团“膜”,并且该“膜”的形成速度快于其溶解速度,该“膜”对云母表面的排斥诱导了液滴的去润湿。
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