纳米粗糙度对胶体液滴蒸发图案的影响机制

对比研究了Si O_2胶体液滴在光滑基底与纳米粗糙度基底上的蒸发及其图案形成.实验发现,在光滑基底上,液滴的蒸发伴有显著的"咖啡环效应",沉积图案呈现碗状.而在粗糙基底上蒸发后得到厚度分布较为均匀的蒸发图案,且裂纹密度明显增大.分析显示,纳米粗糙度可抑制液滴内沿基底的回流,极大地削弱了毛细流的补偿作用,导致颗粒在气-液界面富集并形成颗粒膜,从而克服了"咖啡环效应",最终形成厚度分部均匀的蒸发图案.     

微量离子控制富含芳香环材料表面的“咖啡环”效应

<正>一滴咖啡蒸发后,会在液滴边缘形成一个比中间区域颜色深得多的暗环,这种不均匀沉积现象就是"咖啡环"效应[1]。无论是液滴中分散的颗粒胶体,还是分子或离子,在液体蒸发后都可能在固体表面形成类似于"咖啡环"的图案。"咖啡环"效应是一个与液滴蒸发密切相关的科学问题[2]。自从1997年Robert D. Deegan在Nature杂志发文阐述它的形成机理以来,"咖啡环"效应已受到国际社会广泛关注[3]。它广泛存在于我们的日常生活和工农业生产中,在日常清洁、工业印染、喷墨打印、器件组装和芯片制造等方面均存在不同     

加热基底上附壁液滴蒸发动力学实验研究

为了了解液滴表面热流型演变规律及其对蒸发速率的影响,采用稳态蒸发实验研究了加热基底上乙醇和水滴的蒸发过程。液滴半径固定在R=2.5 mm,高度变化范围为0.4至1.4 mm。结果表明,随着液滴高度降低,乙醇液滴表面出现了中心不均匀的温度波动、热流体波及Bénard-Marangoni流胞,而水滴表面则没有明显温度波动。随着基底温度升高,液滴内部热对流增强;随着液滴高度降低,乙醇液滴蒸发速率先减小、后增大,而水滴蒸发速率则无明显变化。实验结果证实热对流对液滴蒸发速率具有明显促进作用。     

基于超疏水高黏附结构的痕量农药分子现场检测SERS基底研究

多种农药,包括孔雀石绿（MG）作为禁用兽药,存在食用致癌的风险。由于MG低廉的价格和极好的药效,在渔业养殖中一直被不法商贩非法使用,使得鱼类生鲜中时有MG残留检出。针对MG分子痕量残留的检测,目前一般是抽取少量养殖水样,再利用高效液相色谱柱、液相色谱-光谱等方法来评估其是否超标。这类传统的检测方法一般需要依赖价格昂贵的大型设备,且检测过程操作繁琐复杂,单次检测耗时长、价格高,因而与农贸市场中商品流通量大、速度快、价格需亲民低廉等特点和要求不相符合。近年来,表面增强拉曼散射（SERS）检测技术以及便携式拉曼光谱仪的出现,有望实现对痕量农药分子的现场快速检测,进而很好地解决这一问题。SERS检测技术利用金属纳米结构的表面等离激元效应感应位于其结构表面附近的分子,得到分子种类和浓度信息。为了降低可检测的浓度极限,一般会在SERS基底上利用咖啡环效应或其他手段将待测分子蒸发富集,以获得足够高的信号强度。针对亲水基底,液滴与基底相接触后,会在基底表面摊开,使其分布面积扩大,导致其咖啡环周长变长,分子分布浓度随之降低。而当采用疏水基底富集时,由于常规的疏水基底表面黏附性小,液滴在其表面处于随处滚动无法抓取的状态,极大增加了操作的难度。以MG分子痕量残留的检测为例,由于农贸市场人员众多、无专业实验平台,磕碰撞击时有发生,在此环境下采用疏水SERS基底对农药分子进行检测显然是不可取的。该研究提出一种基于超疏水高黏附纳米森林结构的SERS基底用于痕量MG分子的快速现场检测。相比于超疏水SERS基底,所提出的超疏水高黏附基底利用其高黏附性可牢固抓取待测液滴,解决了以往超疏水基底在实际现场检测中存在液滴滚动无法操作的问题。此外,与亲水基底相比,超疏水高黏附基底由于接触角大,可将咖啡环面积缩小5.73倍,继而使分子的富集浓度提高5.73倍,最终使检测极限浓度降低了至少两个数量级。研究所提出的超疏水高黏附SERS基底有望在痕量农药分子快速现场检测中得到应用。     

γ-Al_2O_3纳米流体导热系数与稳定性影响因素分析

通过两步法制备了不同体积浓度的γ-Al_2O_3纳米流体,并添加不同质量分数的十二烷基苯磺酸钠(SDS)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为分散剂。分析了温度以及两种表面活性剂对γ-Al_2O_3纳米流体稳定性和导热系数的影响。试验结果表明,非离子型表面活性剂PVP比阴离子表面活性剂SDS具有更好的分散效果。随着表面活性剂浓度的增加,纳米流体的导热系数呈先增加后减小的趋势,适当的粒子浓度与活性剂浓度比例有利于提高纳米流体的导热系数。     

溶液液滴蒸发变干的环状沉积

液体蒸发驱动的颗粒自组装现象在许多的工业技术中有重要应用. 本文利用显微镜观测含有颗粒物质的液滴变干后留在固体表面的颗粒形成的环状沉积图案. 采用微米粒径的SiO₂小球水溶液液滴蒸发变干模拟咖啡环的形成过程, 结果发现液滴蒸发过程中接触线的钉扎是环状沉积的必要条件. 在液滴蒸发过程中颗粒随着补偿流不断的向液滴边缘移动, 聚集在接触线处形成环. 液滴蒸发变干后残留在液滴内部的颗粒数随颗粒质量分数的增加而增加, 可以达到单层的颗粒排列. 而玻璃衬底上的颗粒环在颗粒质量分数很小时, 形成单层排列, 且一排一排地生长. 蒸发过程中颗粒环由于液滴边缘的尺寸限制向液滴中心缓慢移动. 这会导致液滴中不同大小颗粒的分离. 关键词： 液滴 接触线 蒸发 颗粒     

极坐标下Marangoni应力对静止液滴蒸发过程的影响

通过推导液滴在蒸发过程中,边界是否考虑Marangoni应力作用时,其内部流场分布的极坐标解析式,并结合相应的球冠液滴模型,来描述液滴内部的流线分布情况,以及液滴在受到Marangoni应力作用时,极坐标下ρcosα=常数处速度随液滴高度的分布规律。并分别使用实验与数值模拟结果与解析结果进行对比,从而说明解析式的正确性。同时从液滴的流线的分布得出:液滴在蒸发过程中,其内部的流动速率在三相界面处最大,在靠近基板的中心处最小。受Marangoni应力作用的影响,液滴内部在其对称面上产生了环流,其方向在液滴底部是从液滴中心流向三相界面的,同时也说明了Marangoni对流可以抑制"咖啡环"效应。     

金纳米棒调控组装结构SERS基底用于构筑毒品检测模块

本文介绍了一种基于金纳米棒自组装结构的SERS基底构筑方法。通过工艺参数可调控的溶剂蒸发诱导组装机制,可以减少或去除溶胶成膜基底中出现的咖啡环效应,得到致密均一的薄膜型SERS基底。该基底用于毒品SERS检测具有较高的灵敏性和较好的重现性,将其与便携式拉曼光谱仪和含毒品尿液的快速前处理方法相结合,可以用于涉毒人员尿液中毒品的检测分析,因此有望应用于涉毒现场的快速检测。     

磁流体粘度的实验研究

采用毛细法粘度计测量了水基Fe磁流体的粘度,分析了磁性粒子份额、表面活性剂含量以及外加磁场强度和方向对粘度的影响。实验结果表明,磁流体粘度随着磁性粒子和表面活性剂浓度的增加而增加;随着外加磁场强度的增大而增大,对于相同的磁流体,在外加磁场方向垂直于流动方向时的粘度大于外加磁场方向平行于流动方向时的粘度;表面活性剂含量的增大将减弱外加磁场对磁流体粘度的影响。     

自悬浮定向流纳米金属粉末制备的理论模拟

叙述了自悬浮定向流纳米金属粉末的制备原理，建立了在惰性气体介质中金属液滴表面蒸发 形成悬浮微粒过程的数学模型.描述了蒸发金属液滴表面层的热流动、物质迁移、热扩散、 凝聚相初始核的形成、金属蒸气在粒子表面的凝聚、粒子相互凝聚等过程，考虑了物质迁移 系数等动力学参数对温度的依赖关系.预测了指定粉末尺寸分布下的最佳工艺条件. 关键词： 纳米金属粉末 凝聚理论模拟 自悬浮定向流     

外加磁场对磁控溅射制备氮化硅陷光薄膜的影响

在基底与靶材之间放置磁性强弱不同的永久磁铁来研究外加磁 场对磁控溅射制备氮化硅陷光薄膜的影响. 通过X射线衍射、原子力显微镜 (AFM) 以及紫外分光光度计分别测试了外加磁场前后所制备薄膜的组织结构、表面形貌和光学性能. 结果表明, 外加磁场后, 氮化硅薄膜依然呈现非晶结构; 但是表面形貌发生明显改变, 中心磁场1.50 T下, 薄膜表面为特殊锥状尖峰结构"类金字塔"的突起, 而且这些突起颗粒垂直于基底表面; 在 可见光及近红外范围内, 中心磁场1.50 T 下的薄膜样品平均透射率最大, 平均透射率达到90% 以上, 比未加磁场的样品提高了近1 倍, 具有很好的陷光特性. 关键词： 外加磁场 磁控溅射 氮化硅薄膜 陷光效应     

固着液滴蒸发薄液膜区传质传热特性数值研究

本文基于扩展Young-Laplace方程和动力学理论,以水为工质,建立固着液滴蒸发薄液膜区、宏观弯月面区、固体基底内部及气液、液固、气固界面的耦合传热模型,并探究固体基底厚度和热物性对蒸发薄液膜区传热特性的影响。结果表明,由于液滴蒸发过程中的冷却效应,三相接触线附近的基底温度低于周围固体温度;蒸发速度越快,温度差越大。蒸发薄液膜的长度、最大质量流量和传热量与基底厚度与液滴半径比值h_r有关;当h_r=0.4时,薄液膜区传热对总体传热贡献最大;基底的热导率越小,蒸发液滴具有更长的蒸发薄液膜长度及更强的界面传热,薄液膜区传热对总体传热影响越显著.     

喷墨打印量子点薄膜的形貌控制

基于微流体理论,对采用聚合物量子点墨水打印薄膜的干燥过程进行了研究,并通过优化溶剂配比、聚合物含量及干燥温度克服"咖啡环"现象,改善薄膜形貌.研究结果表明:墨水中添加高沸点溶剂有助于延缓外向流动;调节聚合物含量可改变墨水的物理性质,有利于在诱发内向流动的同时阻碍外向流动,二者均可明显改善"咖啡环"形貌,另外聚合物的流平作用可提高薄膜的平整度;调节干燥温度可优化液滴与基板的接触线钉扎,从而进一步改善"咖啡环"形貌.最终,在量子点浓度为12mg/mL,墨水中氯苯/环己基苯体积比为8∶2,聚丙烯酸酯质量百分比为11wt%,干燥温度为25℃时制备了直径约为169μm,高度约为65nm的均匀量子点薄膜及量子点点阵,为QLED器件的制备及Micro-LED面板的全彩化提供了技术支持.     

不同液膜体系中Marangoni效应对活性剂液滴铺展的影响

针对含可溶性表面活性剂的液滴在预置液膜上的铺展过程,应用润滑理论建立液滴厚度、活性剂表面浓度及内部浓度演化过程的控制方程组,采用PDECOL程序模拟液滴的演化特征,探讨不同液膜体系下Marangoni效应的作用机理,并基于瞬态增长法分析负体系下液滴演化的不稳定性.研究表明,正体系下Marangoni效应可促进活性剂分子扩散,有利于活性剂液滴的稳定铺展;负体系下Marangoni效应则抑制液滴铺展,使液滴在中心区域产生振荡现象,呈现不稳定性特征,且该特征随负效应增强而愈加明显.在正负两种体系下,Marangoni作用力均是促使液滴横向演化的主要驱动力.     

底板属性对液滴蒸发过程的影响

液滴蒸发机制目前引起人们广泛重视。通过研究纳米颗粒质量溶度为0.05%的Al_2O_3液滴在铁表面和玻璃表面的蒸发过程,发现液滴在铁表面蒸发时呈现4种蒸发形态;定接触线形态、定接触角形态、黏滑形态和不稳定形态;而在玻璃表面的蒸发只有不稳定形态。主要原因是液滴在铁表面蒸发时,固-液表面张力更大,形成定接触线蒸发形态;随着蒸发进行,液滴温度下降,气-液表面张力变大,因而产生黏滑形态。     

不对称钴纳米环磁特性及涡旋态控制的蒙特卡罗模拟

利用Monte Carlo模拟方法研究不同外加磁场方向对不对称钴纳米环磁特性的影响.主要研究磁化反转过程中畴壁运动可控制机制、磁滞回线及涡旋态的形成.模拟结果表明:①不同的外加磁场方向对不对称钴纳米环在磁化反转过程中畴壁的运动和涡旋态的形成及稳定性有较大的影响;②可利用畴壁能的变化及外加磁场的方向控制纳米环畴壁的运动;③磁化反转过程中涡旋态的形成及稳定性存在明显的尺寸效应.     

表面活性剂对气-液界面纳米颗粒吸附规律的影响

通过测定及分析纳米颗粒和表面活性剂-纳米颗粒复配体系在自由吸附过程与动态收缩过程中表面张力的变化,总结了纳米颗粒在气-液界面的吸附排布规律以及表面活性剂对其吸附规律的影响.实验结果表明,自由吸附过程中,随矿化度增加、阳离子活性剂浓度增加,平衡表面张力降低,这与颗粒吸附密度增加及颗粒润湿性改变有关.浓度低于临界胶束浓度(CMC)时,阳离子活性剂体系与混合体系的表面张力差异证明了阳离子活性剂可以通过静电作用吸附于纳米颗粒表面,进而部分溶解于水相;而阴离子活性剂与纳米颗粒相互作用力较弱,对表面张力影响较小.纳米颗粒体系在液滴收缩过程中,表面张力从自由吸附平衡态进一步降低大约9 m N/m,说明自由吸附过程中纳米颗粒不能达到紧密排布;同时表面张力呈现为缓慢降低、快速降低和达到平衡三部分,表面压缩模量可达70 m N/m,满足了液膜Gibbs稳定准则,这将有助于提高泡沫或者乳液稳定性.纳米颗粒-表面活性剂体系在液滴收缩过程中表面张力降低值随活性剂浓度增加而减小;表面压缩模量由高到低依次为:纳米颗粒>阳离子活性剂-纳米颗粒>阴离子-纳米颗粒>表面活性剂.     

倾斜粗糙壁面上含不溶性活性剂溶液的动力学特性

针对倾斜随机粗糙壁面上含不溶性活性剂溶液的流动过程, 采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度的时空演化模型, 通过PDECOL程序数值求解得到了液膜流/液滴铺展的动力学特性及壁面结构参数的影响. 研究表明: 在重力分量和Marangoni效应共同作用下, 液膜流/液滴铺展速度加快, 液膜边缘和液滴中心出现毛细隆起, 液膜/液滴底部出现凹陷, 同时受粗糙壁面影响, 液膜表面变形更显著. 增加壁面倾角θ具有使重力分量和Marangoni效应增强, 导致隆起和凹陷程度均有所增加的作用. 增大壁面高度D可使液膜流/液滴铺展速度加快, 表面变形放大. 而壁面波数k₀则使液膜流/液滴铺展过程减缓, 抑制隆起和凹陷产生. 与液膜流相比, D和k₀对液滴铺展速度的影响相对较小. 关键词： 随机粗糙壁面 液膜 Marangoni效应 倾斜流动     

制备集成微通道的表面增强拉曼基底

本文介绍一种集成微通道的表面增强拉曼基底。采用湿法刻蚀方法在硅片上形成微通道,然后电子束蒸发沉积金薄膜,最后在300℃温度下高真空退火30分钟,使微通道内形成均匀且高密度的金纳米颗粒结构。用场发射扫描电子显微镜(SEM)对基底表面进行表征发现:金膜厚度对基底的表面形貌影响很大,5nm厚的金膜在退火后形成了均匀的高密度的纳米颗粒结构,而10nm厚的金膜退火后没有得到高密度纳米颗粒结构。用10-6 M的罗丹明6G作为探测分子进行拉曼实验测试结果同样表明:5nm厚的金膜退火后形成高密度的金纳米颗粒显著地增强了R6G拉曼信号。同时,对比了宽度分别为25、60、110!m三种尺寸的微通道的基底表面形貌和拉曼增强效应,微通道尺寸对表面形貌和拉曼增强效应影响均很小。     

ZnS修饰对ZnO纳米棒：P3HT复合薄膜I-V性质的影响

本文通过化学浴沉积法获得了直径约为50 nm, 长度约为250 nm的ZnO纳米棒阵列, 引入纳米ZnS对ZnO纳米棒进行表面修饰, 分别制备得到了具有ITO (indium tin oxides)/ZnO/Poly-(3-hexylthiophene) (P3HT)/Au和ITO/ZnO@ZnS/P3HT/Au结构的多层器件. 通过I-V曲线对比讨论了两种结构器件的开启电压, 串联电阻, 反向漏电流及整流比等参数, 认为包含ZnS修饰层器件的开启电压、串联电阻、反向漏电流明显降低, 整流比显著增强, 展现出更优异的电子传输性能. 光致发光光谱分析结果证实由于ZnS使ZnO纳米 棒的表面缺陷产生的非辐射复合被明显抑制, 弱化了电场激发下的载流子陷获, 改善了器件的导电特性. 关键词： ZnO纳米棒阵列 表面修饰 电流-电压特性