固液界面納米氣泡與基底相互作用研究及滑移長度測量.pdf

1、固液界面邊界條件是流體力學(xué)研究中的一個(gè)基本內(nèi)容。近年來研究顯示，在固液接觸面上流體相對于固體墻的運(yùn)動(dòng)速度并不總是零，這種現(xiàn)象稱為固液界面邊界滑移，由滑移長度來表征。邊界滑移的存在將減小流體與固體墻之間的拖曳摩擦力，對基于微納米流體流動(dòng)的生物芯片的應(yīng)用具有重要的意義。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，存在于固液界面上的納米氣泡是產(chǎn)生邊界滑移的主要原因。本文應(yīng)用原子力顯微鏡(AFM)在聚苯乙烯樣品表面研究了固液界面納米氣泡與樣品基底的相互作用，改進(jìn)了

2、的接觸模式 AFM邊界滑移測量方法并提出采用敲擊模式 AFM法測量滑移長度，應(yīng)用這兩種方法對不同潤濕性樣品表面進(jìn)行了測量，初步建立了納米氣泡尺寸及分布密度與邊界滑移之間的關(guān)系。
　　采用改進(jìn)了的微懸臂夾持器在去離子水中實(shí)現(xiàn)了聚苯乙烯樣品表面納米氣泡成像并對納米氣泡進(jìn)行表征，在納米尺度上揭示了沿固液氣三相接觸線的線張力對納米氣泡接觸角影響機(jī)理并計(jì)算得到線張力數(shù)值。在應(yīng)用敲擊模式進(jìn)行納米氣泡成像過程中，發(fā)現(xiàn)除增加掃描載荷外，降低探針的

3、掃描速度同樣會(huì)造成納米氣泡聚合。通過實(shí)驗(yàn)觀察和對具體的納米氣泡進(jìn)行跟蹤，揭示了納米氣泡聚合的過程。納米氣泡的聚合同時(shí)伴隨著納米氣泡的移動(dòng)，在外界擾動(dòng)下，小的納米氣泡首先被移動(dòng)，與較大納米氣泡發(fā)生聚合，產(chǎn)生新的納米氣泡。提出采用AFM的力調(diào)制模式曲線分析的方法區(qū)分樣品表面固體顆粒和納米氣泡。
　　研究了納米氣泡在聚苯乙烯薄膜上產(chǎn)生納米凹痕的作用機(jī)理。將聚苯乙烯薄膜浸入去離子水中后，在薄膜上產(chǎn)生大小不同的納米氣泡。隨著浸入時(shí)間的增加，

4、在較大尺寸納米氣泡周圍產(chǎn)生聚苯乙烯環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而小尺寸納米氣泡逐漸消失，在樣品表面留下納米凹痕結(jié)構(gòu)。結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，建立了納米氣泡的存在對聚苯乙烯薄膜影響的模型。模型顯示，納米氣泡較高的內(nèi)部壓強(qiáng)與固液氣三相接觸線上表面張力沿豎直方向分量共同作用引起聚苯乙烯薄膜發(fā)生變形，從而產(chǎn)生納米凹痕結(jié)構(gòu)。
　　針對納米氣泡易于移動(dòng)的問題，從提高納米氣泡穩(wěn)定性的角度出發(fā)，提出了納米氣泡非移動(dòng)性概念。首先采用AFM的力-距離曲線分別在進(jìn)給和收

5、縮運(yùn)動(dòng)中測量了作用在探針上的表面張力沿豎直方向分力，驗(yàn)證了接觸角滯后理論對于納米氣泡仍然成立。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用接觸角滯后理論計(jì)算在納米凹痕結(jié)構(gòu)和疏水材料島狀結(jié)構(gòu)上移動(dòng)納米氣泡所需的水平初始力，建立了這兩種結(jié)構(gòu)提高納米氣泡非移動(dòng)性的理論模型。隨后，分別在具備納米凹痕結(jié)構(gòu)和疏水島狀結(jié)構(gòu)的樣品表面上施加較高的掃描載荷，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上兩種結(jié)構(gòu)能夠提高納米氣泡的非移動(dòng)性。
　　針對當(dāng)前采用接觸模式 AFM測量邊界滑移時(shí)無法消除靜電力和表面粗

6、糙度對測量結(jié)果影響的問題，采用雙低速逼近法和虛擬固液接觸面法分別確定靜電力引起的微懸臂偏轉(zhuǎn)分量和修正實(shí)驗(yàn)測量得到的固液接觸面位置，改進(jìn)了接觸模式 AFM邊界滑移測量方法。利用它在不同逼近速度下和不同潤濕性樣品表面測量滑移長度，探索了樣品逼近速度和表面潤濕性對邊界滑移的影響。針對接觸模式測量中無法消除微懸臂偏轉(zhuǎn)對分離距離和逼近速度影響的問題，又引入敲擊模式 AFM法在不同潤濕性樣品表面測量其滑移長度，并比較了兩種測量方法的優(yōu)劣。結(jié)合測量得