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岛津扫描探针显微镜探究固液界面的真相

探索固液界面微观结构
材料的物理化学性质不仅由其内部的组分、结构决定,而且与其周围的介质环境及表界面性质息息相关。而水作为常见的介质环境,不仅与材料产生多种不同的作用力,如亲水作用力、疏水作用力,甚至会与材料发生各种物理和化学过程,从而对材料的性能产生重要影响。因此,在分子层面解析水与材料表面的相互作用与化学过程,对深入研究材料的表界面性质、形成机理具有重要的推动作用,同时有助于指导人们开发更好的材料与器件。
 岛津 SPM-8100FM 


图1  岛津SPM-8100FM
当前市场上扫描探针显微镜(SPM)有多个品牌,大多数都是使用调幅模式(AM),但是在原理上调频模式(FM)可以获得更高的图像分辨率。岛津SPM-8000FM就是采用调频检测方法,成为世界上首个商品化调频模式的扫描探针显微镜(注:原子力显微镜只是扫描探针显微镜的一种),并荣获2014年第57届“十大新产品奖”。而SPM-8100FM为SPM-8000FM的升级款,与之相比不仅分辨率有了进一步的提升,稳定性也得到了大幅提升。它不仅在大气及液体环境中达到了超高分辨率的观察,还实现了对固液界面的水化层作用或溶剂化作用层的观察,恰好适用于水-材料表界面性质的研究。下面小编就向大家介绍岛津SPM-8100FM(图1)在研究水与不同材料表界面作用中的应用。

 采用SPM-8100FM 测试样品


图2  固定在液体池中三个样品的光学图片
小编通过三种不同的样品向大家展示:亲水的云母片、疏水的高定向热解石墨(HOPG)以及可以与水发生反应的方解石(图2)。采用SPM-8100FM的调频模式即可对样品的固液界面进行Z-X方向测试,也就是测试垂直于样品表面的水分子排布,测试示意图如图3所示。

图3  液体样品池测试示意图

 测试结果 


图4  测试所得三种体系的SPM图及水分子分层信息
所得结果(图4)中的下方黑色区域为固相(即方解石、云母和HOPG),紧靠其上表面的规整区域就是排布在固相表面的水分子层,图中红色虚线框标记的就是一个水分子哦。仔细对比,我们可以发现方解石和云母表面的水分子排布十分相似,但与HOPG表面的水分子排布相差很大。

对三者进行定量分析可知,第一层水分子距方解石、云母及HOPG的表面距离分别为0.15nm 、0.21nm 和0.38nm ,而第二层水分子的距离分别为0.34nm 、0.35nm 和0.92nm。有力地证实了水分子易在亲水材料表面铺展,而在疏水表面具有较大的水分子层间距,这也是水在普通纸张和荷叶表面具有不同铺展性的原因。