專利名稱:基于醇水替換在云母表面形成納米氣泡的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種形成納米氣泡的裝置，具體地說，是一種基于醇水替換在云母表面形成納米氣泡的裝置，使納米氣泡的形成具有較好的重現(xiàn)性，有利于用原子力顯微鏡(AFM)對固液界面的納米氣泡進行觀察檢測。
背景技術(shù)：
不論在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域還是在應用學科，固液界面的納米氣泡都是一個倍受關(guān)注的問題。根據(jù)經(jīng)典熱力學，氣泡的體積越小，內(nèi)部的壓力就越大，而壓力大必然導致氣泡破裂。理論上，室溫下水中納米氣泡是不能穩(wěn)定存在的。隨著對疏水表面長程引力研究的深入，越來越多的研究結(jié)果證實固液界面的納米氣泡是引起疏水長程作用力的本質(zhì)。實際上，納米氣泡的存在可能與膠粒的分散和穩(wěn)定、礦石浮選、食品性狀的保持等方面有密切關(guān)系。但由于納米氣泡體積小，又很柔軟，無法用光學方法檢測，直到最近液體中輕敲模式的原子力顯微鏡的出現(xiàn)，才使納米氣泡的檢測成為可能。已經(jīng)有幾個研究組用原子力顯微鏡直接觀察到固液界面的納米氣泡，這些都為納米氣泡的存在提供了證據(jù)。
目前許多研究組都是在浸入水中的化學修飾表面直接研究納米氣泡(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.)。他們是以疏水修飾的固體表面為AFM成像基底，向液槽中注入水后，觀察固體表面的納米氣泡。由于水中溶解的氣體量有限，利用疏水表面直接從水中吸附形成納米氣泡的重復性不高。同時，疏水表面會在空氣中吸附氣體，水還會在疏水表面空化形成水蒸汽，這樣形成的納米氣泡的數(shù)量具有很大的不確定性。疏水修飾的過程也無法保證每一次得到的表面具有相同的化學和物理特性。這些因素造成目前固液界面納米氣泡的研究結(jié)果之間沒有可比性，成為深入研究納米氣泡的一個障礙。親水的、平整的表面不會從空氣中吸附大量氣體，也沒有空化現(xiàn)象產(chǎn)生的蒸汽，以這種表面為基底研究納米氣泡可以避免這兩種因素造成的不確定性。系統(tǒng)地、深入地研究納米氣泡非常需要一種即能夠?qū)崿F(xiàn)在親水的、平整的表面可重復地形成納米氣泡，又能夠?qū)崿F(xiàn)AFM對納米氣泡進行觀察的裝置。云母是一種典型的親水表面，它的表面結(jié)構(gòu)很清楚，在表面科學中常常以它為基底。研究云母這種平整、親水的表面形成的納米氣泡有助于對納米氣泡相關(guān)現(xiàn)象的理論解釋，為以后在更復雜的表面上研究納米氣泡奠定基礎(chǔ)。
現(xiàn)有采用醇水替換形成納米氣泡的裝置，(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)是以云母表面為AFM成像基底，用手推注射器向液槽中注入乙醇和水后，觀察固體表面的納米氣泡。但無法控制注入液體的流速，其它條件也沒有經(jīng)過精細調(diào)整，形成和觀察納米氣泡的可重復性不強。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于醇水替換在云母表面形成納米氣泡的裝置，結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，納米氣泡的形成具有較好的重現(xiàn)性，并能實現(xiàn)用原子力顯微鏡對納米氣泡進行觀察，可作為對固液界面的納米氣泡進行深入、系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)設(shè)備。
為實現(xiàn)這樣的目的，本實用新型提供的基于醇水替換在云母表面形成納米氣泡的裝置，主要包括原子力顯微鏡、盛放水和乙醇的容器、蠕動泵、進出液管、廢液缸和液槽。原子力顯微鏡的頭部放著液槽，液槽上夾放的針尖與云母基底表面間的距離為40微米左右，液槽中嵌放O-圈，使液槽和云母表面形成一個密閉的間隙，進出液管通過轉(zhuǎn)接頭連接道液槽的中孔與邊孔，將水-乙醇-水按順序注入到液槽和云母表面的密閉間隙中，可在云母表面形成納米氣泡。
本實用新型的裝置具體結(jié)構(gòu)為AFM掃描頭上放有圓形鐵片，掃描頭部具有磁性能將鐵片牢牢吸住。鐵片上方是被雙面膠粘住的云母，云母大小與鐵片相當。云母上表面是新鮮的解離面，在云母上方是被AFM頭部的兩個夾子牢牢固定住的液槽。液槽是用石英制成的，中間具有夾放AFM針尖基座的小彈簧夾，AFM針尖的懸臂是三角形，針尖在頂端，朝向云母基底。檢測激光可以通過液槽打在針尖的懸臂上，再通過液槽反射到檢測器上。液槽底面有一圓形的凹陷，O-圈正好可以嵌放在其中。O-圈是用硅膠制成的，具有一定的可壓縮性，它能使液槽與云母之間形成一個密封的間隙。間隙中可盛放液體，并且能夠進行不同液體在云母表面進行替換。間隙中液體的量能在較長時間內(nèi)不會明顯減少。
液槽的前側(cè)有兩個孔，分別是邊孔和中孔，進液管一端通過轉(zhuǎn)接頭與液槽的邊孔相接，另一端通過蠕動泵的泵頭插入到盛放液體的容器中，出液管一端通過轉(zhuǎn)接頭與液槽的中孔相接，另一端接到廢液缸中，容器中盛放著所要注入的液體為水或乙醇。出液管和進液管上均帶有一個調(diào)節(jié)夾子控制進出液的通斷。
裝置使用時，先利用步進馬達將針尖與云母表面的距離調(diào)節(jié)到40微米左右，防止針尖與表面的初始距離太遠而造成O-圈的變形太大，對納米氣泡的觀察造成不利影響。
注入液體形成納米氣泡的過程分為三步。第一步，打開進、出液管上的夾子，打開蠕動泵，將水緩慢泵入液槽中。約泵過1ml的水以后，停止蠕動泵，夾好進、出液管。驅(qū)近針尖，AFM成像。如表面不干凈，表明這過程有污染，需要換一片新的、干凈的云母，重新做。第二步，打開進、出液管上的夾子，打開蠕動泵，將乙醇緩慢泵入液槽，置換出液槽中的水。泵過足量的乙醇后，停止蠕動泵，夾好進、出液管。驅(qū)近針尖，AFM成像。表面應該是干凈的，如不干凈表明有污染帶入。第三步，打開進、出液管上的夾子，打開蠕動泵，再將水緩慢泵入液槽，置換出液槽中的乙醇。當液槽中的乙醇被替換完全后，停止蠕動泵，夾好進出管。驅(qū)近針尖，AFM成像。這時可以觀察到一些納米級氣泡，氣泡的多少、大小與形成時的條件有關(guān)。
在形成納米氣泡過程中，注入液體的順序為水-乙醇-水，第一步注入水是為了防止水中有污染，形成納米氣泡必需的是第二和第三步。重復注入液-成像的步驟可以避免液體中帶入的污染顆粒。同時，利用蠕動泵能夠?qū)崿F(xiàn)精確地控制每一次液體的注入速度，從而保證納米氣泡的形成條件具有良好的可重復性。
本實用新型的裝置結(jié)構(gòu)簡單，由于利用了蠕動泵注入液體并利用O-圈使液槽與云母之間形成密閉的間隙，可以進行乙醇和水不同液體的替換，可重復地實現(xiàn)了在親水固體表面形成納米氣泡。本實用新型能夠利用AFM對納米氣泡直接進行觀察，同時有效地防止成像過程中O-圈變形及液體揮發(fā)帶來的不利影響。



圖1為本實用新型裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，1為原子力顯微鏡(AFM)，2為盛放水和乙醇的容器，3為蠕動泵，4為卡子，5為進液管，6為出液管，7為廢液缸，8為液槽。
圖2為本實用新型液槽的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2中，5為進液管，6為出液管，9為O-圈，10為針尖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述。
由圖1所示，本實用新型主要包括原子力顯微鏡1、盛放水和乙醇的容器2、蠕動泵3、進液管5、出液管6、廢液缸7和液槽8。原子力顯微鏡1的掃描頭放有鐵片，鐵片上粘著云母，液槽8置于云母上方。進液管5是長約1米、外徑3毫米、內(nèi)徑1毫米的硅膠管，一端通過轉(zhuǎn)接頭與液槽8的邊孔相接，另一端通過蠕動泵3的泵頭插入到盛放液體的容器2中，出液管6一端通過轉(zhuǎn)接頭與液槽8的中孔相接，另一端接到廢液缸7中。容器2中盛放著所要注入的液體為水或乙醇，出液管6和進液管5上均帶有一個調(diào)節(jié)夾子4控制進出液的通斷。
原子力顯微鏡用的液槽8內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。液槽8上具有夾放AFM針尖10的小彈簧夾，液槽8上的針尖10距離云母表面約為40微米。液槽8內(nèi)嵌放O-圈9，使液槽8與云母上表面之間形成一個密封的間隙。間隙中可盛放液體，并且能夠進行不同液體在云母表面的替換，液體量可以在較長時間內(nèi)不會明顯減少。
液槽8的前側(cè)有邊孔和中孔，通過轉(zhuǎn)接頭分別連接進液管5和出液管6。
裝置搭建時，先在不放O-圈9、不連進液管5和出液管6的條件下，在空氣中使針尖10驅(qū)近云母表面。驅(qū)近完成后，用步進馬達將針尖10抬起。針尖10離云母表面40微米時，停止驅(qū)近。取下液槽8，將O-圈9放入液槽8中，完成裝置的搭建。利用步進馬達可以精確控制針尖10與云母表面的距離，可以防止針尖10與表面的初始距離太遠，從而造成O-圈9的變形太大。O-圈9變形太大會對納米氣泡的觀察造成很不利的影響。
裝置使用時，蠕動泵3通過進液管5輸送容器2中盛放的水，速度可以在0.5ml/min-3ml/min之間，注入液體時兩個夾子4都是打開的。原子力顯微鏡(AFM)1的頭部放著液槽8，液槽上夾放的針尖10與云母基底表面的距離只有40微米左右。液槽中嵌放的O-圈9和云母基底表面形成一個密閉的間隙，液槽進液管5通過轉(zhuǎn)接頭與液槽的中孔相接，將液體注入到間隙中。多余的水通過液槽的邊孔經(jīng)液槽出液管6排出到廢液缸7中。輸入約1ml水后，停止蠕動泵，關(guān)上兩個夾子4。AFM成像確認沒有污染后，打開夾子4，按照同樣的方法注入足量的乙醇替換O-圈9和基底的間隙中水。再次確認沒有污染，再注入足量的水替換乙醇。這時可以在云母/水界面上形成納米氣泡，并可以用AFM對其進行直接觀察。
在形成納米氣泡過程中，重復注入液-成像的步驟可以避免液體中帶入的污染顆粒。同時，利用蠕動泵3能夠?qū)崿F(xiàn)精確地控制每一次液體的注入速度，從而保證納米氣泡的形成條件具有良好的可重復性。
權(quán)利要求
1.一種基于醇水替換在云母表面形成納米氣泡的裝置，其特征在于包括原子力顯微鏡(1)、盛放水和乙醇的容器(2)、蠕動泵(3)、進液管(5)、出液管(6)、廢液缸(7)和液槽(8)，原子力顯微鏡(1)掃描頭的鐵片上粘著云母，液槽(8)置于云母上方，進液管(5)一端通過轉(zhuǎn)接頭與液槽(8)的邊孔相接，另一端通過蠕動泵(3)的泵頭插入到盛放液體的容器(2)中，出液管(6)一端通過轉(zhuǎn)接頭與液槽(8)的中孔相接，另一端接到廢液缸(7)中，出液管(6)和進液管(5)上均帶有一個調(diào)節(jié)夾子(4)控制進出液的通斷，液槽(8)上夾放的原子力顯微鏡針尖(10)距離云母表面為40微米，液槽(8)內(nèi)嵌放O-圈(9)，使液槽(8)與云母上表面之間形成一個密封的可盛放液體的間隙。
專利摘要
一種基于醇水替換在云母表面形成納米氣泡的裝置，原子力顯微鏡的頭部放著液槽，液槽上夾放的針尖與云母基底表面間的距離為40微米左右，液槽中嵌放O－圈，使液槽和云母表面形成一個密閉的間隙，進出液管通過轉(zhuǎn)接頭連接到液槽的中孔與邊孔。本實用新型利用了蠕動泵注入液體并利用O－圈使液槽與云母之間形成密閉的間隙，進行水－乙醇－水不同液體的替換，可重復地實現(xiàn)在親水固體表面形成納米氣泡，并實現(xiàn)了用原子力顯微鏡對納米氣泡直接進行觀察，同時有效地防止成像過程中O－圈變形及液體揮發(fā)帶來的不利影響。
文檔編號G01Q60/24GKCN2630837SQ03209664
公開日2004年8月4日 申請日期2003年8月12日
發(fā)明者張雪花, 胡鈞, 孫潔林, 張曉東, 李鑫輝 申請人:上海交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan