探索固液界面微觀結(jié)構(gòu)

材料的物理化學(xué)性質(zhì)不僅由其內(nèi)部的組分、結(jié)構(gòu)決定，而且與其周圍的介質(zhì)環(huán)境及表界面性質(zhì)息息相關(guān)。而水作為常見(jiàn)的介質(zhì)環(huán)境，不僅與材料產(chǎn)生多種不同的作用力，如親水作用力、疏水作用力，甚至?xí)c材料發(fā)生各種物理和化學(xué)過(guò)程，從而對(duì)材料的性能產(chǎn)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(xué)過(guò)程，對(duì)深入研究材料的表界面性質(zhì)、形成機(jī)理具有重要的推動(dòng)作用，同時(shí)有助于指導(dǎo)人們開(kāi)發(fā)更好的材料與器件。

島津 SPM-8100FM

圖1  島津SPM-8100FM

當(dāng)前市場(chǎng)上掃描探針顯微鏡（SPM）有多個(gè)品牌，大多數(shù)都是使用調(diào)幅模式（AM），但是在原理上調(diào)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(diào)頻檢測(cè)方法，成為世界上商品化調(diào)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“新產(chǎn)品獎(jiǎng)”。而SPM-8100FM為SPM-8000FM的升級(jí)款，與之相比不僅分辨率有了進(jìn)一步的提升，穩(wěn)定性也得到了大幅提升。它不僅在大氣及液體環(huán)境中達(dá)到了超高分辨率的觀察，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(zhì)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(yīng)用。

采用SPM-8100FM 測(cè)試樣品

圖2  固定在液體池中三個(gè)樣品的光學(xué)圖片

小編通過(guò)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(fā)生反應(yīng)的方解石（圖2）。采用SPM-8100FM的調(diào)頻模式即可對(duì)樣品的固液界面進(jìn)行Z-X方向測(cè)試，也就是測(cè)試垂直于樣品表面的水分子排布，測(cè)試示意圖如圖3所示。

圖3  液體樣品池測(cè)試示意圖

測(cè)試結(jié)果

圖4  測(cè)試所得三種體系的SPM圖及水分子分層信息

所得結(jié)果（圖4）中的下方黑色區(qū)域?yàn)楣滔啵捶浇馐?、云母和HOPG），緊靠其上表面的規(guī)整區(qū)域就是排布在固相表面的水分子層，圖中紅色虛線框標(biāo)記的就是一個(gè)水分子哦。仔細(xì)對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)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(duì)三者進(jìn)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(shí)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。