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島津掃描探針顯微鏡探究固液界面的真相

探索固液界面微觀結構
材料的物理化學性質不僅由其內部的組分、結構決定,而且與其周圍的介質環境及表界面性質息息相關。而水作為常見的介質環境,不僅與材料產生多種不同的作用力,如親水作用力、疏水作用力,甚至會與材料發生各種物理和化學過程,從而對材料的性能產生重要影響。因此,在分子層面解析水與材料表面的相互作用與化學過程,對深入研究材料的表界面性質、形成機理具有重要的推動作用,同時有助于指導人們開發更好的材料與器件。
 島津 SPM-8100FM 


圖1  島津SPM-8100FM
當前市場上掃描探針顯微鏡(SPM)有多個品牌,大多數都是使用調幅模式(AM),但是在原理上調頻模式(FM)可以獲得更高的圖像分辨率。島津SPM-8000FM就是采用調頻檢測方法,成為世界上首個商品化調頻模式的掃描探針顯微鏡(注:原子力顯微鏡只是掃描探針顯微鏡的一種),并榮獲2014年第57屆“十大新產品獎”。而SPM-8100FM為SPM-8000FM的升級款,與之相比不僅分辨率有了進一步的提升,穩定性也得到了大幅提升。它不僅在大氣及液體環境中達到了超高分辨率的觀察,還實現了對固液界面的水化層作用或溶劑化作用層的觀察,恰好適用于水-材料表界面性質的研究。下面小編就向大家介紹島津SPM-8100FM(圖1)在研究水與不同材料表界面作用中的應用。

 采用SPM-8100FM 測試樣品


圖2  固定在液體池中三個樣品的光學圖片
小編通過三種不同的樣品向大家展示:親水的云母片、疏水的高定向熱解石墨(HOPG)以及可以與水發生反應的方解石(圖2)。采用SPM-8100FM的調頻模式即可對樣品的固液界面進行Z-X方向測試,也就是測試垂直于樣品表面的水分子排布,測試示意圖如圖3所示。

圖3  液體樣品池測試示意圖

 測試結果 


圖4  測試所得三種體系的SPM圖及水分子分層信息
所得結果(圖4)中的下方黑色區域為固相(即方解石、云母和HOPG),緊靠其上表面的規整區域就是排布在固相表面的水分子層,圖中紅色虛線框標記的就是一個水分子哦。仔細對比,我們可以發現方解石和云母表面的水分子排布十分相似,但與HOPG表面的水分子排布相差很大。

對三者進行定量分析可知,第一層水分子距方解石、云母及HOPG的表面距離分別為0.15nm 、0.21nm 和0.38nm ,而第二層水分子的距離分別為0.34nm 、0.35nm 和0.92nm。有力地證實了水分子易在親水材料表面鋪展,而在疏水表面具有較大的水分子層間距,這也是水在普通紙張和荷葉表面具有不同鋪展性的原因。