基于表面力仪的离子混合溶液中表面间相互作用的研究

摘要

溶液中胶体稳定性在胶体科学、流体科学、摩擦学、以及生命科学等领域中都发挥着重要的作用。本文首先介绍了溶液中表面间相互作用的理论基础和研究现状，同时阐述了利用表面力仪(surface forces apparatus，SFA)测量溶液中表面间相互作用的原理方法和过程。在此基础上展开对高价溶液中带电表面间相互作用、低价溶液中带电表面间相互作用以及高低价混合溶液中电荷倒置现象等热点问题进行了实验研究，并提出原有模型基础上改进的模型结合理论分析来解释它。
　　溶液中，胶体稳定性取决于胶体表面的离子分布情况。由于静电相互作用，溶液中的带电胶体表面会吸引附近的反离子并排斥同离子，从而在带电表面周围形成双电层:内外层分别是离子与表面紧密吸附的斯特恩层(Stem layer)和的扩散层(Diffuse layer)。在扩散层内，在布朗运动（热运动）和静电平衡的相互影响，离子浓度和电势分布符从泊松-波尔兹曼方程。其中，扩散层分界处的表面电势值是求解该方程重要的一个边界条件。而溶液中两个表面间双电层重叠产生静的电斥力与Van der Waals引力共同决定了表面之间的作用势。
　　首先，在高价溶液中电荷倒置现象的研究发现三价LaCI3溶液中两个云母表面间相互作用随着距离的增大呈指数衰减，这符合DLVO理论扩散层的相互作用特征。随着LaCI3溶液浓度的增大，带电云母表面的电势从负电势变成了正电势。通过斯特恩层内化学势平衡推导出来的扩散层边界条件与泊松-波尔兹曼方程联立能够计算出表面电势、表面电荷密度以及近壁面反离子浓度的值，并准确的预测不同浓度高价溶液中表面之间的相互作用。根据以上的数据选定5×10-7 mol/L和10-4 mol/L的LaCI3溶液进行接下来混合溶液电荷倒置的实验研究。电荷倒置产生的根本原因由于带电表面对反离子的吸引以及高价反离子强烈的相互排斥形成了类似魏格纳晶格结构的强关联液体(stronglycorrelated liquid，SCL)，这种强关联液体的内聚能引起对周围反离子的吸引，使得更多的反离子吸附到表面附近，以致产生了电荷倒置现象。
　　其次，在对不同浓度的NaCl溶液中云母表面间相互作用的研究中，实验结果和理论分析表明基于泊松-波尔兹曼方程的DLVO(Derjaguin，Landau，Verwey和Overbeek)理论能够很好的描述一价溶液中表面间相互作用。两个云母表面间相互作用随着距离的增大呈指数衰减，并且随着溶液浓度升高，德拜长度k-1逐渐变小。通过相关文献的提示以及选定表面电势的值来拟合实验的数据选定最接近纯水中带电表面电势值的10-3mol/L NaCI溶液来进行接下来的实验研究。
　　最后，对混合溶液中电荷倒置现象的研究中发现在加入一价离子后，带电表面的电荷倒置会增强，通过对相关模型的改进可以计算出混合溶液中扩散层表面电荷密度值，并通过与之前的表面电荷密度值比较验证这一结论。通过分析还可以得出一价离子增强电荷倒置主要是由于一价离子的低价态和尺寸筛选效应容易吸附到带电表面并改变衰减长度rs导致的。
　　本文所研究的一价离子、三价离子以及一价与三价离子在胶体表面的分布情况为深入研究各种情况下胶体稳定性以及各种生命现象（包括DNA的输运与修复、细胞的生长、血栓的形成与溶解等等）奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的历史背景和发展现状

1．1．1 历史背景

1．1．2 发展现状

1．2 研究的应用前景

1．3 本文的研究目标和研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 论文结构

第二章 溶液中表面间相互作用的理论基础

2．1 双电层模型的发展

2．2 PB理论和PB方程

2．3 DLVO理峪

2．3．1 Van der Waals引力

2．3．2 双电层静电斥力

2．3．3 引力和斥力的平衡

第三章 表面力仪(SFA)的原理方法及实验过程简介

3．1 概述

3．2 表面力仪(SFA)的原理和方法

3．2．1 表面力仪(SFA2000)的控制原理

3．2．2 表面力仪(SFA2000)的测量原理

3．2．3 多光束干涉法的应用

3．3 实验过程及实验方法

3．3．1 溶液的配置

3．3．2 云母片的准备

3．3．3 调整光路

3．3．4 实验的操作步骤

3．3．5 数据的采集和处理

第四章 实验结果的分析和讨论

4．1 三价LaCl3溶液中电荷倒置现象的研究

4．1．1 研究背景

4．1．2 实验过程

4．1．3 实验结果和分析讨论

4．1．4 实验结论

4．2 一价NaCl溶液中带电表面间相互作用研究

4．2．1 研究背景

4．2．2 实验过程

4．2．3 实验结果和分析讨论

4．2．4 实验结论

4．3 —三价混合溶液中电荷倒置现象的研究

4．3．1 研究背景

4．3．2 实验过程

4．3．3 实验结果和分析讨论

4．3．4 结论

第五章 总结及展望

5．1 主要研究成果总结

5．2 工作展望

致谢

参考文献

硕士期间发表的研究成果