原子力显微镜与动态光散射研究疏水缔合聚丙烯酰胺微观结构_曲彩霞
AFM综述
原子力显微镜及其在生物单分子研究中的应用刘冰 W22046中国人民解放军防化研究院摘要原子力显微镜(AFM)是观察样品表面结构的一种新工具,它具有比传统扫描电子显微镜更高的分辨率,并且可以在生理条件下进行实时观察。
在生物单分子的研究中,原子力显微技术已广泛用于观察生物大分子的超微结构、生理生化过程以及生物分子之间分子内作用力的测量。
本文就相关文献进行综述。
关键词原子力显微镜(AFM)单分子力谱在生物单分子研究中,人们希望实时地看到具体的真实的变化过程,而不仅仅是根据前后的现象和关系来推理,即要得到真实的单个分子在一定时间内的动态行为以及分子间和分子内相互作用力的变化情况。
而这种动态变化正是人们研究生物大分子结构与功能关系最重要得基础。
这就需要更高分辨率的显微镜。
适应这种需要,许多用于表面结构分析的现代仪器相继问世,如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FIM)、俄歇电子能谱仪(AES)、光电子能谱(ESCA)等,但是大多数技术都无法真正地直接观测生物分子地微观世界。
原子力显微镜及基于原子力显微技术的单分子力谱的出现为这一问题的初步解决奠定了基础。
随着原子力显微技术的不断提高,最近短短的几年里,AFM几乎被应用到生命科学中的每一个领域,并取得了许多其它方法未能得到的令人鼓舞的成果。
1 原子力显微镜的工作原理及特点简单地说,原子力显微镜在扫描隧道显微镜(STM)的基础上发展起来的。
1982年,第一台STM问世。
其工作原理是:当探针与样品表面间距离小到纳米级时,探针与样品间会产生隧道电流。
STM就是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌和结构的。
STM要求样品表面能够导电,从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结构;对非导电的物质则要求覆盖一层导电薄膜,但导电薄膜的粒度和均匀性均难以保证,且导电薄膜掩盖了物质表面的细节。
为了克服STM的不足,在1986年由BiningQuate和Gerber推出了原子力显微镜(AFM)。
电化学原子力显微镜
要在高真空的环境下操作
6
扫描探针显微镜SPM
SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜, 通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、电、 磁、力等的大小而获得表面信息。
scanning tunneling Microscopy (STM, 1982)
Atomic force microscopy (AFM)
电化学原子力显微镜
梁景肖 王芳
Contents
原子力显微镜的出现
原子力显微镜工作原理
原子力显微镜应用
电化学原子力显微镜
电化学原子力显微镜应用实例
2
显微镜发展历史
第一代光学显微 镜(1676)
远场显微镜 显微镜
近场显微镜 第二代电子显微 镜(1938) 第三代扫描探针 显微镜SPM (1982)
3
小悬臂(canห้องสมุดไป่ตู้ilever)来感测针尖与样品之间的交互作用,测得 作用力。这作用力会使cantilever摆动,再利用激光将光照射在 cantilever的末端,当摆动形成时,会使反射光的位置改变而造 成偏移量,此时激光检测器会记录此偏移量,也会把此时的信号
给反馈系统,以利于系统做适当的调整,最后再将样品的表面特
远场显微镜和近场显微镜
光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜,因为相对 来说样品离成像系统有比较远的距离。成像的图像好坏基 本取决于仪器的质量。
而扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各
种物理特性,探针和样品之间只有2-3埃的距离,会产生 相互的作用,是一种相互影响的耦合体系。我们称它为近 场显微镜。它的成像质量不单单取决于显微镜本身,很大 程度上受样品本身和针尖状态的影响。
信息,从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。
细胞生物力学的研究方法及其应用
细胞生物力学的研究方法及其应用细胞生物力学,顾名思义,是研究生物体内单个细胞机械性质的学科。
近年来,由于技术手段的不断提高,细胞生物力学得到了越来越多的关注和研究。
本文将介绍当前常用的细胞生物力学研究方法及其在生物学、医学等领域的应用。
第一,原子力显微镜(AFM)原子力显微镜,是一种用于材料表面形貌和物理化学性质研究的宏观静态力学显微镜。
近年来,它也被广泛应用于细胞生物力学。
AFM可以在细胞表面扫描出其形貌结构,同时提供各种力学参数的测量。
例如,它可以测定细胞的硬度、弹性模数、粘附力等力学参数,从而揭示细胞的生物物理特性。
AFM的优点在于可以直接测量单个细胞的形态和力学特性,并且不会对细胞造成伤害。
此外,AFM可以在生命体内进行活体测量,可以更加真实地反映细胞的生物物理特征。
第二,拉伸式细胞生物力学实验这是一种基于机械实验装置的细胞力学试验。
拉伸式细胞生物力学实验可以测量细胞的有限元分析、张力分布等力学参数,从而了解细胞在外力下的变形和应力状态。
同时,这种实验可以研究细胞内部力的平衡,研究细胞内大分子的力学特性。
拉伸式细胞生物力学实验常用于细胞稳态、生长和迁移等方面的研究。
第三,光学牵引力显微镜(OT)光学牵引力显微镜,是一种非接触、光学控制下研究细胞运动和力学行为的实验技术,称为“光学镊子”。
它可以利用激光光束的光学力控制微米级别细胞的运动,同时实时追踪微小颗粒到纳米级别的位移、速度和应力等变化。
光学牵引力显微镜技术的优点是可以对单个细胞进行可控制的牵引力实验,测定细胞内蛋白质分子的颗粒动力学,证明各种细胞内生物标签或药物的分布和传输。
此外,由于操作非常灵活,长期研究难度较小,有助于细胞生物力学实验结果的稳定和可靠。
总之,细胞生物力学是一门尝试了解和解决生物体内机械问题的新兴学科,其研究方法也在不断创新和完善。
通过不断改进研究方法,细胞生物力学的研究在生物学、医学、生物材料等学科领域的应用也在不断扩大。
原子力显微镜在纳米材料表征中的应用
原子力显微镜在纳米材料表征中的应用原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,简称AFM),是一种基于原子力作用的高分辨率显微镜技术,被广泛应用于纳米材料的表征研究中。
在纳米科学和纳米技术领域,原子力显微镜作为一种重要的工具,可提供关于材料表面形貌和力学性质的信息。
通过原子力显微镜的工作原理,可以实现对纳米材料表面的成像。
它的工作原理是利用探针对样品表面进行扫描,并通过测量扫描探头与样品之间的相互作用力,得到样品表面的高度和形貌信息。
相比起传统的光学显微镜,原子力显微镜能够达到更高的分辨率,可以检测到纳米尺度以下的细微变化。
原子力显微镜在纳米材料表征中的应用非常广泛。
首先,它可以帮助研究人员观察到纳米材料表面的微观结构特征。
通过样品表面的原子力显微镜成像,可以清晰地观察到纳米级别的凹坑、纹理和晶粒形貌等。
这些精确的形貌信息对于材料的表征和性质分析至关重要。
其次,原子力显微镜还可以用于研究纳米材料的力学性质。
在原子力显微镜的扫描过程中,通过测量探头与样品表面之间的相互作用力,可以获取到纳米材料的弹性模量、硬度等重要参数。
这些力学性质的测量对于纳米材料的应用具有重要意义,能够帮助科研人员了解和改进材料的机械性能。
除了表面形貌和力学性质的表征,原子力显微镜还可以进行纳米材料的表面力学特性研究。
通过在扫描过程中施加力量,可以测量材料在不同应力下的变形行为。
这种研究能够揭示纳米材料的力学行为规律,对于纳米材料的应用和加工具有重要意义。
例如,在纳米机械器件中,了解材料的变形性能可以帮助设计更加稳定和可靠的器件。
此外,原子力显微镜还可以用于研究材料的电子性能。
近年来,通过原子力显微镜结合电导模式,可以实现对纳米材料的电导率、载流子输运等电子性质的研究。
这为纳米材料在电子器件中的应用提供了重要的参考。
综上所述,原子力显微镜作为一种高分辨率显微镜技术,在纳米材料的表征研究中具有广泛的应用。
通过原子力显微镜的成像,可以观察到纳米材料的表面形貌和微观结构特征;测量相互作用力可以揭示材料的力学性质;施加力量进行变形研究能够了解纳米材料的力学行为规律;结合电导模式可以研究材料的电子性能。
疏水缔合型聚丙烯酰胺的合成与性能及其与离子型表面活性剂的相互作用
参考内容二
疏水缔合丙烯酰胺共聚物是一种具有特殊物理化学性质的高分子材料,其在 溶液中的结构形态研究对于理解其性能和潜在应用具有重要意义。本次演示将详 细介绍疏水缔合丙烯酰胺共聚物的合成方法,性能表征,以及在溶液中的结构形 态。
一、疏水缔合丙烯酰胺共聚物的 合成
疏水缔合丙烯酰胺共聚物的合成主要通过自由基聚合来实现。将丙烯酰胺 (AM)单体与疏水单体(如苯乙烯、甲基丙烯酸乙酯等)混合,使用氧化剂(如 过硫酸钠)引发聚合反应。在聚合过程中,可以通过调节反应温度、pH值、单体 浓度等参数,控制聚合反应的速度和产物的分子量。
对于三元共聚阳离子聚丙烯酰胺,最佳合成条件为:反应温度80℃,反应时 间3小时,原料配比n(AM)/n(St)/n(DVB)=1/1/0.25。合成的三元共聚阳离子聚 丙烯酰胺具有良好的水溶性,适用于各种水溶性环境。然而,其热稳定性和耐水 解性能略逊于疏水缔合聚丙烯酰胺。
结论:
本次演示对疏水缔合聚丙烯酰胺和三元共聚阳离子聚丙烯酰胺的合成及性能 评价进行了详细的研究。通过优化合成条件,发现最佳的合成工艺参数,并对其 性能进行了评价。结果表明,优化后的合成工艺能显著提高产物的性能表现。
材料和方法:
本实验采用了不同的合成方法来制备疏水缔合聚丙烯酰胺和三元共聚阳离子 聚丙烯酰胺。首先,通过控制不同的反应温度、反应时间和原料配比,合成了一 系列疏水缔合聚丙烯酰胺样品。接着,采用类似的方法合成三元共聚阳离子聚丙 烯酰胺样品。
在合成过程中,通过红外光谱、核磁共振等手段对产物进行了表征,以确定 其化学结构。同时,采用粘度计、扫描电子显微镜等仪器对产物的性能进行了评 价。
四、结论
总的来说,疏水缔合丙烯酰胺共聚物是一种具有优异性能的高分子材料,其 合成方法简单,性能可调,且在溶液中形成独特的结构形态。这种特性使它在众 多领域具有广泛的应用前景,如水处理、石油化工、生物医学等。深入理解和研 究疏水缔合丙烯酰胺共聚物在溶液中的结构形态,有助于我们更好地了解其性能 和应用,为设计和开发新的高分子材料提供理论指导。
原子力显微镜ppt课件
1988年,国外开始对原子力显微镜进行改进,激光检测原子力显微镜。 1989年,白春礼等人研制出了我国第一台原子力显微镜,并跻身于国
际先进行列。
为了规范事业单位聘用关系,建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ,保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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原子力显微镜在研究分子识别中的应用
分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍, 例如,受体和配体的结合,抗原和抗体的结合, 信息传递分子间的结合等,是生物体中信息传递 的基础。
光学显微镜
显 微 镜
暗视野显微镜 实体显微镜 荧光显微镜 偏光显微镜 位相显微镜 倒置式显微镜 微分干涉显微镜 摄影显微镜
透射式电子显微镜
电子显微镜
扫描式电子显微镜
扫描隧道显微镜、原子力显微镜
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原子力显微镜的构成
基于原子力显微镜的沥青微观结构研究
基于原子力显微镜的沥青微观结构研究一、引言沥青是一种常见的石油产品,广泛应用于道路建设、建筑和防水工程等领域。
对沥青微观结构的研究,有助于深入了解其性质和应用潜力。
本文将围绕基于原子力显微镜的沥青微观结构研究展开讨论,全面评估其深度和广度,以帮助读者更深入地理解这一主题。
二、原子力显微镜在沥青微观结构研究中的应用1. 原子力显微镜的工作原理原子力显微镜是一种高分辨率的显微镜,能够观察到物质表面的原子级细节。
其工作原理是利用探针与样品表面间的相互作用力来获取图像和表征样品的表面形貌和性质。
2. 原子力显微镜在沥青微观结构研究中的优势沥青作为一种复杂的有机聚合物材料,其微观结构对其性能具有重要影响。
原子力显微镜具有高分辨率、灵敏度高等优点,能够直接观察沥青微观结构的形貌和表面特征,为深入研究沥青性能提供了重要手段。
三、沥青微观结构研究的深度和广度1. 沥青微观结构的表征利用原子力显微镜观察沥青微观结构,可见其中微观的聚合结构和有序/无序排列的分子排布情况。
在此基础上,可以对沥青的形貌、粒径分布、分子间相互作用等进行深入研究。
2. 沥青微观结构与性能关系通过观察沥青微观结构,可以揭示其分子排列的有序性、聚合物链的交联情况等,从而深入了解其流变性、黏度、抗氧化性等性能特征。
这对于优化沥青配方设计、改进工艺制备具有重要意义。
四、总结沥青作为一种重要的石油产品,其微观结构的研究对于深入了解其性能和应用具有重要意义。
基于原子力显微镜的沥青微观结构研究,能够为我们提供高分辨率、准确的表征结果,有助于深入了解沥青的微观结构与性能之间的关系,为沥青的改进和应用提供科学依据。
个人观点基于原子力显微镜的沥青微观结构研究,是一项具有挑战性和重要意义的工作。
通过深入探究沥青的微观结构,我们可以更好地理解其性能特征和应用潜力,为沥青产业的发展和创新提供科学支持。
结尾通过本文的探讨,我们从原子力显微镜在沥青微观结构研究中的应用、沥青微观结构研究的深度和广度、以及个人观点进行了全面的评估和讨论。
疏水缔合聚丙烯酰胺的结构表征及其缔合作用
பைடு நூலகம்
( DLS )a n d s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y( S EM )we r e u s e d t o v e r i f y t h e r e l i a b i l i t y o f t h e r e s u l t s a n d
Ab s t r a c t :Th e mo l e c u l a r s t r u c t u r e o f t h e h y d r o p h o b i c a 儿 y a s s o c i a t i n g p o l y me r( HAP) u s e d f o r
HAP分 子 的 缔 合 作 用 。结 果 表 明 ,HA P 为含 有 苯 环 且 部 分 酰胺 被 取代 的磺 酸 根 阴 离 子 疏 水 缔 合 型 聚 丙 烯 酰 胺 ,不 同方 法 测 得 的 C A C为 1 5 0  ̄2 0 0 mg / L。HAP溶 液 质 量 浓 度 为 1 0 0 mg / L时 ,粒 径 呈 单 峰 状 分 布 ,无 空 间 网络 结 构 ,
a n a 1 v z e t he a s s o c i a t i on of t he HAP mo l e c u l e s . The r e s ul t s i nd i c a t e d t ha t t he H AP wa s a s u l f o ni c a c i d a n i o ni c hyd r op ho bi c a l l y a s s oc i a t i ng p o l y a c r y l a mi d e t ha t c o nt a i ne d be n z e ne s a nd pa r t o f t he
疏水缔合聚丙烯酰胺在盐水中的自组装行为
w . h b k . uc ww w x . ue . p d n
疏水 缔合 聚丙烯酰胺在盐水 中的 自组装行为
陈 洪 吴 晓 艳 叶仲 斌 韩 利 娟 罗平 亚 ’
( 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 成都 600; 西南石油大学化学化工学院, 150 成都 600) 150
摘要 : 使 用静态光散射 、 动态光散射 以及原子 力显微 镜( F 研究 了疏 水缔合聚丙烯酰胺 ( A AM) 盐水溶 A M) H P 存 液 中的 白组装行 为. 究了聚合物分 子在 不同盐浓度 中的表观重均 分子量( ., 研 均方根 回转半径( ) 明: 随着盐浓度的增强, 聚合物溶液的分子链 由舒展变得卷 曲. )流 体 , 力学 半径( > , 二维里系数∽z < )第 ) 的变化 , 并根据 < g/ > 比值得 出聚合物分子 的聚集 形态. R >< 的 实验结果 表
Ab t c : T e s la s mby b h v r fh do h bc 『 s o i ig p la rlmi ( A AM)i s l sr t a h ef s e l e a i y rp o i l a s ca n oy cya d H P - oo ay t e n a t s l inwa tde y tt g t c t r g d n mi l h c t r g a dao cfremirs o y( M) ou o ssu idb ai l h at i , y a c i t at i , n tmi oc co c p AF . t s ci s e n g s e n T e a p rn eg ta ea e moe ua eg t( ,,ro a s u r a is fg rt n ( ’ , h p ae tw ih v rg lc lrw ih 舰 o tme n q ae du o yai ) r o )
第五章原子力显微镜ppt课件
2 探针 ❖ 探针是AFM检测系统的关键部分.它由悬臂和
悬臂末端的针尖组成.随着精细加工技术的发展, 人们已经能制造出各种形状和特殊要求的探针。 悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的.悬臂 的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式 AFM中V形悬臂是常见的一种类型(如图3.2所 示).
病原体侵入机体,消弱机体防御机能 ,破坏 机体内 环境的 相对稳 定性, 且在一 定部位 生长繁 殖,引 起不同 程度的 病理生 理过程
❖ 它的优点是具有低的垂直反 射机械力阻和高的侧向扭曲 机械力阻.悬臂的弹性系数 一般低于固体原于的弹性系 数, 悬臂的弹性常数与形状、 大小和材料有关.厚而短的 悬臂具有硬度大和振动频率 高的特点.
四、 原子力显微镜工作环境 病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程
原子力显微镜受工作环境限制较少,它可以在超高真空、气 相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境:最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空下进 行操作的。后来,随着AFM的出现,人们开始使用真空AFM研 究固体表面.真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰,但其 操作较复杂。 (2)气相环境:在气相环境中,AFM操作比较容易,它是广泛采用 的一种工作环境.因AFM操作不受样品导电性的限制,它可以 在空气中研究任何固体表面,气相环境中AFM多受样品表面水 膜干扰。 (3)液相环境:在液相环境中.AFM是把探针和样品放在液池中工 作,它可以在液相中研究样品的形貌.液相中AFM消除了针尖 和样品之间的毛细现象,因此减少了针尖对样品的总作用 力.液相AFM的应用十分广阔,它包括生物体系、腐蚀或任一 液固界面的研究. (4)电化学环境:正如超高真空系统一样,电化学系统为AFM提供 了另一种控制环境.电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电 解池、双恒电位仪和相应的应用软件.电化学AFM可以现场研 究电极的性质.包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及 有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。
原子力显微镜及聚合物微观结构与性能
谢谢观看
本书的目录分为若干章节,每个章节都围绕原子力显微镜及其在聚合物研究中 的应用展开。从基础的原子力显微镜原理介绍,到聚合物微观结构的具体分析, 再到性能评价与实际应用,内容层次递进,逻辑清晰。
原子力显微镜基础:这一章节介绍了原子力显微镜的基本原理、构造和工作模 式,为读者提供了必要的背景知识,为后续章节的深入讨论打下了基础。
以上摘录只是《原子力显微镜及聚合物微观结构与性能》这本书中的一部分, 但它们已经充分展示了这本书的深度和广度。无论大家是研究聚合物的科学家, 还是对纳米科技感兴趣的爱好者,这本书都将为大家提供丰富的知识和深刻的 见解。
阅读感受
《原子力显微镜及聚合物微观结构与性能》读后感
在深入研究高分子材料的领域里,我阅读了王东教授的《原子力显微镜及聚合 物微观结构与性能》一书,深感其内容的丰富与深入,同时也被王教授对科研 的热情和专注所打动。
“聚合物的微观结构,包括其链结构、链间相互作用、结晶度、相分离等,是 决定其宏观性能如机械强度、导电性、光学性质、热稳定性等的关键因素。通 过原子力显微镜,我们可以对这些微观结构进行定性和定量的研究,从而建立 结构与性能之间的直接。”
“AFM的纳米级分辨率使我们能够观察到聚合物表面的微小细节,如链的取向、 链的末端、链的交叉等,这些都是影响聚合物性能的重要因素。例如,链的取 向直接影响聚合物的机械性能,而链的交叉和链的末端则可能影响聚合物的导 电性和光学性质。”
“通过对聚合物微观结构的深入理解,我们可以设计和开发出具有优异性能的 新型聚合物材料。原子力显微镜在这一过程中扮演着至关重要的角色,它提供 了我们理解和控制聚合物微观结构所需的工具和信息。”
原子力显微镜及其在聚合物基纳米复合材料中的应用
原子力显微镜及其在聚合物基纳米复合材料中的应用作者:王鹏宋翠苏正涛王珊王景鹤来源:《新材料产业》 2015年第9期文/ 王鹏1 宋翠2 苏正涛1 王珊1 王景鹤11. 北京航空材料研究院减振降噪材料及应用技术航空科技重点实验室2. 中国科学院过程工程研究所原子力显微镜(AFM)由美国国际商用机器公司(IBM)的Binnig与史丹佛大学的Q u a t e 在1986年共同发明[1],旨在使非导电物体也能用扫描探针显微镜观测。
其工作原理为:用探针沿样品表面扫描,利用探针与样品间的弱相互作用力作为探测信号,实现样品表面轮廓成像[2],从而打破了扫描隧道显微镜(S T M)对样品导电要求的限制,直接推动了纳米科学特别是纳米材料科学的发展。
一、原子力显微镜的工作原理原子力显微镜(A F M)并非利用S T M的电子隧道效应,而是在纳米尺度距离条件下,利用原子之间的库伦力(排斥力)和范德华力(吸引力)作用来检测样品的表面形貌。
这种作用力会随距离的改变而变化,即相互接近时范德华力起主要作用,小于一定距离,则库伦力发挥作用,其作用力与距离的关系如图1所示。
从能量角度看,这种原子间距离与作用能的关系也可在Lennard-Jones公式中体现。
在A FM测试中,是利用探针与样品间相互作用,表征反映表面总电子密度的形貌,有效弥补了S T M技术仅能用于观测导电物质的缺陷[3]。
在该Lennard-Jones公式中:σ为原子的直径,r为原子之间的距离。
原子力显微镜利用斥力与吸引力的方式发展出多种成像模式[4] :1. 静态模式静态模式又称接触模式,通过微悬臂探针随样品表面形貌起伏发生的静态偏转产生信号,处理后得到样品形貌,缺点是由于摩擦力极易损坏样品,降低图像品质。
2. 动态模式动态模式又称轻敲模式,即激励探针在垂直于表面的方向上发生振动,并通过探针振动参数的实时监测实现样品表面成像。
根据检测信号不同,又可分为频率调制模式、幅度调制模式和相位调制模式。
疏水缔合聚丙烯酰胺的自组装行为
维普资讯
7 2
西南石油学院学报
20 06正
1 2 仪器 .
F.4 0 荧 光 分 光 光 度 计 , IA H 50 HT C I生 产 ; D S.0 光 散 射 分 光 光 度 计 , 量 粒 径 精 确 范 围 I 70 测
3 0~ 0 . m, t k 公 司生 产 。 . 3 0 0n Os a 0 u 13 聚 合物 的结构 研 究 .
l NH2
PAM
O Nd
f
图 1 试 样 的结 构
定 是 目前 高 分子 领域 所 面临 的 一大 难 点 ~ 。本 文 科学依据来阐释缔合机理和缔合结构的形状及影响 在同等条件下借助特性粘数法对两种样品进行了比 的因素, 采用荧光光谱和动态光散射等手段研究了 较。样品的特性粘数 [ ] H gi 常数 ( 叼 及 ug s n K )参照 H P M 在水溶 液 中形成 的结构 和 自组 装 行 为 , 出 AA 提 中华人 民共 和 国国家标 准 ( B 20. —8 ) G 105 1 9 测得 , 样 了可能的缔合机 理, 为指导高分子设计与合成及 这 品的水解 度参照 国家标 准 ( B20. —8 ) G 1056 9 规定 的方 H P M 的进一 步的应用具有 极其重要 意义 。 AA 法 测量 。用 硝 酸银 溶液 滴 定 H P M 样 品测 出氯根 AA
1 实验 部 分
1 1 试样 .
含 量 , 而计 算 出疏水 基 团的含量 。结 果 见表 1 从 。
表 1 试样的结构参数 及物 性
H P M、A 由本研究组合成 。其结构见 图 1 AA P M 。 由于疏水 缔 合 的存 在 , 绝 对 法很 难 准 确 地 测 用 定 H WS A P的分子 量 , 以这类 聚合 物分 子量 的确 所
原子力显微镜
原子力显微镜及其应用鞠治国(200901071581;物理学本科;大庆师范学院)摘要:原子力显微镜是以扫描隧道显微镜基本原理发展起来的扫描探针显微镜。
原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。
关键词:原子力显微镜扫描针纳米科技作者简介:鞠治国,(1990.02.13)男,大庆师范学院物理与电气信息工程学院 09级物理专业学生研究方向理论物理。
0 引言原子力显微镜扫描能提供各种类型样品的表面状态信息。
与常规显微镜比较,原子力显微镜的优点是在大气条件下,以高倍率观察样品表面,可用于几乎所有样品(对表面光洁度有一定要求),而不需要进行其他制样处理,就可以得到样品表面的三维形貌图象。
并可对扫描所得的三维形貌图象进行粗糙度计算、厚度、步宽、方框图或颗粒度分析。
原子力显微镜可以检测很多样品,提供表面研究和生产控制或流程发展的数据,这些都是常规扫描型表面粗糙度仪及电子显微镜所不能提供的。
1 基本原理原子力显微镜是利用检测样品表面与细微的探针尖端之间的相互作用力(原子力)测出表面的形貌。
探针尖端在小的轫性的悬臂上,当探针接触到样品表面时,产生的相互作用,以悬臂偏转形式检测。
样品表面与探针之间的距离小于3-4nm,以及在它们之间检测到的作用力,小于10-8N。
激光二极管的光线聚焦在悬臂的背面上。
当悬臂在力的作用下弯曲时,反射光产生偏转,使用位敏光电检测器偏转角。
然后通过计算机对采集到的数据进行处理,从而得到样品表面的三维图象。
2 原子力显微镜示意图3 原子力显微镜的优点与缺点相对于扫描电子显微镜,原子力显微镜具有许多优点。
不同于电子显微镜只能提供二维图像,AFM提供真正的三维表面图。
同时,AFM不需要对样品的任何特殊处理,如镀铜或碳,这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。
电子显微镜需要运行在高真空条件下,原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。
这样可以用来研究生物宏观分子,甚至活的生物组织。
原子力显微镜技术在纳米尺度下的应用
原子力显微镜技术在纳米尺度下的应用随着科学技术的发展,现代科学越来越依赖于观察微观世界的能力。
在这个过程中,原子力显微镜技术对传统光学显微镜的理解和应用进行了彻底的颠覆。
因此,人们更容易观察原子和分子的结构,并探索新的奇妙现象。
本文将从实验原理、性能和应用等方面详细介绍原子力显微镜技术。
一、原理原子力显微镜技术(Atomic Force Microscope,AFM)是一种十分重要的表面分析技术。
相较于电子显微镜和光子显微镜,原子力显微镜的分辨率在纳米级别以上,并且能够直观地监控分子在物理和化学反应中的动态变化。
那么,原子力显微镜技术是如何实现的呢?原子力显微镜技术利用微小尖端和样品表面之间的距离信息建立成像。
在扫描过程中,微小尖端通过弹簧与样品表面相互作用,然后激光束定位,在这一过程中部分能量会被反射回探头,最后通过激光探测系统进行监测,最终得到样品表面的3D图像。
根据所选的探头尺寸和结构,原子力显微镜技术可以实现纳米级别的分辨率,因此可以实现对DNA、RNA、单层石墨以及晶体等微观结构进行直接观察。
二、性能原子力显微镜技术的性能十分优越,并且具有以下特征:1. 表面形貌表征:原子力显微镜技术可以提供表面的几何形态、粗糙度、尺寸、形貌限制和结构、表面分子分布以及表面电位等表征信息。
因此,它可以用于对表面结构和形貌的分析和研究。
2. 分子生物学研究:原子力显微镜经常被用于生物分子研究和细胞力学分析。
利用AFM,分子的二级结构和单分子水平的分子作用力可以被观察到。
3. 材料界面表征:原子力显微镜技术可以对各种材料界面的结构进行研究和分析。
例如,组装分子的结构、纤维的组成以及纳米线的表面特性等。
三、应用原子力显微镜技术被广泛应用于不同领域,如纳米技术、材料科学、生物医学、化学分析等等。
以下是一些可行的应用:1. 研究Nanoparticles的表面结构: 通过原子力显微镜技术,可以直接观察到Nanoparticles的结构,这对于合成纳米材料和改善材料性能非常重要。
原子力显微镜图像处理与分析算法研究
原子力显微镜图像处理与分析算法研究随着科学技术的不断发展,原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)成为了一种非常强大的研究材料表面结构和性质的工具。
AFM技术通过对样品表面进行扫描,能够获得高分辨率的几何信息和力学信息,无论是在硬度、导电性或者压电性等方面,都拥有独特的分析优势。
但是,要想得到准确的表面结构和性质信息,则需要对获得的图像进行处理和分析。
本文将主要关注于AFM图像处理以及相关的分析算法研究。
一、AFM图像处理AFM图像处理是将原子力显微镜采集到的表面形貌图像进行处理与分析,从而提取出材料的表面结构和性质信息。
AFM图像的处理流程一般包括四个主要步骤,即预处理、去噪、平滑和分割。
1. 预处理在AFM采集过程中,常常会发生AFM扫描导致扫描头的离开和其他外在因素的干扰,这些因素都会对图像质量造成影响。
因此,预处理是AFM图像处理的第一步,常常包括图像的对齐、亮度和对比度调整等,以提升图像质量的清晰度和准确性。
2. 去噪AFM图像由于各种噪声和干扰因素,可能会出现“块状效应”、“针状效应”和“条纹效应”等问题,因此需要对图像进行去噪处理。
常用的去噪方法包括中值滤波、高斯滤波和小波变换等。
3. 平滑AFM图像中,原始数据的离散化会在表面形貌和拓扑分析中造成噪声,因此需要将数据进行平滑处理。
常用的平滑方法包括均值平滑、加权平均平滑和高斯平滑等。
4. 分割AFM图像的分割是将整个图像中不同区域的信息分开,以便进一步研究和分析。
常用的分割方法包括阈值分割、边界区域生长法(Boundary Region Growing,BRG)和水平分割等。
二、AFM图像分析算法AFM图像处理的最终目的是提取表面形貌和力学等信息,因此常用的AFM图像分析算法主要是用于分析材料的表面形貌、粗糙度和机械性质等多个方面。
下面介绍一些常用的AFM图像分析算法。
1. 表面形貌分析表面形貌分析是指对AFM图像采集到的样品表面几何形貌的分析和描述。
高价金属离子对疏水缔合聚合物溶液黏度稳定性影响机理研究
高价金属离子对疏水缔合聚合物溶液黏度稳定性影响机理研究王成胜;朱洪庆;易飞;孙艳萍;陈士佳;黄波【摘要】研究了高价金属离子对疏水缔合聚合物溶液的影响,研究表明,在钙、镁离子的作用下,聚合物溶液的黏度剪切稳定性变化较大。
利用荧光分光光度计和广角激光光散射仪,考察了钙、镁高价金属离子对疏水缔合聚合物溶液微观结构的影响及机理分析。
试验结果表明,钙、镁高价金属离子的物理化学作用是影响疏水缔合聚合物溶液黏度稳定性的关键因素;相同条件下,镁离子的影响大于相同质量浓度钙离子的影响。
【期刊名称】《石油天然气学报》【年(卷),期】2014(000)011【总页数】5页(P208-212)【关键词】高价金属离子;缔合聚合物溶液;黏度稳定性;机理研究【作者】王成胜;朱洪庆;易飞;孙艳萍;陈士佳;黄波【作者单位】海洋石油高效开发国家重点实验室中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津300452;海洋石油高效开发国家重点实验室中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津300452;海洋石油高效开发国家重点实验室中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津300452;海洋石油高效开发国家重点实验室中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津300452;海洋石油高效开发国家重点实验室中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津300452;海洋石油高效开发国家重点实验室中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津300452【正文语种】中文【中图分类】TE357.461王成胜,朱洪庆,易飞孙艳萍,陈士佳,黄波(海洋石油高效开发国家重点实验室中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津 300452)聚合物驱是一项重要的提高油田原油采收率技术,聚合物溶液的黏度性能是提高采收率重要物理化学性质,配制聚合物溶液用水的水质是影响聚合物黏度性能的重要因素[1,2]。
近年来,国内外科技工作者在水质对聚合物黏度影响方面做了大量的研究,赵丰等[3]研究了矿化度对聚合物溶液黏弹性的影响;薛新生[4]、唐恒志[5]、王其伟[6]、范汉香[7]等探讨了聚合物溶液黏度的影响因素。
原子力显微镜简介-国家纳米科学中心-杨延莲
原子力显微镜简介杨延莲国家纳米科学中心2007.3.301.原子力显微镜的发展历史2.原子力显微镜的基本原理3.原子力显微镜的要素4.原子力显微镜的操作模式5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像6.原子力显微镜的应用进展•三维扫描控制•控制电路•振荡隔离系统•微悬臂形变检测方法•微悬臂的设计思想及制作方法•基本成像模式•派生成像模式•谱学模式原子力显微镜的发展历史mmμmnm10-910-610-3m肉眼可见光学显微镜扫描电镜扫描探针显微镜扫描I扫描IZI 一次扫描扫描示意图扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理1982年,IBM 苏黎世实验室的G. Binnig 博士和H. Rohrer 博士及其同事们发明了STM氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏搬走原子写“中国”铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字原子力显微镜(AFM)的发明由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究,所以只能直接对导体和半导体样品进行研究,不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。
1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜1987年Quate等人获得了高定向热解石墨(HOPG)的高分辨原子图像1987年,Quate等人获得了高定向热解氮化硼(HOPBN)表面的高分辨原子图像,其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。
原子力显微镜的派生功能摩擦力显微镜(FFM)磁力显微镜(MFM)导电AFM(CAFM)静电力显微镜(EFM )表面电势成像(SP imaging)扫描电化学显微镜(SECM)扫描电容显微镜(SCM)扫描热显微镜(SThM)这些新型的显微镜,都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用(光、电、热、磁、力等)来控制针尖在距表面一定距离处扫描,从而获得表面的各种信息。
原子力显微镜的基本原理在原子力显微镜的系统中,是利用微小探针与待测物之间的相互作用力,来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。
原子力显微镜在聚合物膜研究中的应用
上海市科学技术发展基金(01ZE14078)资助第一作者:樊文玲,女,1976年10月出生,1999年7月毕业于聊城大学,现为中国科学院上海原子核所硕士研究生,无机化学专业 收稿日期:2002-01-07,修回日期:2003-01-10原子力显微镜在聚合物膜研究中的应用樊文玲 陆晓峰(中国科学院上海原子核研究所 上海 201800)摘要 原子力显微镜(AFM)已被用来研究膜的孔径和孔径分布、膜孔的结构、表面粗糙度、表面接点结构、膜的表面整体形态、膜污染机制和膜材料的选择等7个方面。
原子力显微镜作为一种崭新的、有效的物理观测工具,在聚合物膜研究方面仍具有应用潜力。
关键词 原子力显微镜, 聚合物膜 中图分类号 TQ 028.8膜过滤是一种高效的分离技术,它被广泛地用于环保(处理放射废水和印钞水等)、生物、电子等许多领域,且具有较好的应用前景。
在长期的膜应用过程中,人们发现膜结构与膜性能存在着密切的联系,因此, 对膜结构的研究工作具有非常重要的意义。
1986年,Binning 、Quate 和Gerber 发明了原子力显微镜(AFM)。
1988年,Albrecht 等人首次用它观测聚合物膜的表面,从此AFM 为聚合物膜的研究敞开了一扇崭新的大门。
AFM 的工作原理是使用一个固定在微制造悬梁臂末端的尖锐的探针从坐标轴的X 、Y 、Z 方向来扫描样品。
探针与样品表面作用时,悬梁臂在三个方向上出现偏斜,压电转换器通过反射的激光测量偏斜的程度,得到它的表面图象。
图上亮点表示膜表面的最高点,暗点表示膜表面的凹陷或膜孔,这样膜的表面整体形态在图象上一目了然。
在AFM 聚合物膜研究中所表现的优点是:分辨率能达到原子分辨水平;样品不需复杂的预处理,避免了由此所带来的测量误差;对操作环境的要求较宽松,在空气或液体(水、氯化钠溶液等)中观测都可以;操作力很小,能成功地观测软的物质表面。
上述这些优点使AFM 能在聚合物膜表面的研究中较好地发挥作用。
单分子动态和结构的高精度测量
单分子动态和结构的高精度测量在现代化学和生物学的研究中,单分子动态和结构的高精度测量成为研究的焦点。
因为单分子是材料世界中最基本的单元,它的高精度测量有助于深入理解材料结构和特性的从基本粒子到宏观性质的演变过程。
在本文中,我们将探讨单分子动态和结构的高精度测量技术及其在材料科学和生物学研究中的应用。
一、单分子动态和结构的高精度测量技术单分子动态和结构的高精度测量技术包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、单分子荧光(SMF)和单分子光学(SOM)等。
(一)STMSTM是一种高分辨率的成像技术,可以获得原子级别的表面拓扑信息。
它基于电子隧道效应,通过调整电极之间的电压和间距来控制隧穿电流,从而实现扫描材料表面。
STM可以有效地探测单一分子的位置和构型,并对单分子的电子结构和局域化效应进行研究。
(二)AFMAFM是一种微力显微镜技术,可以获得参考点处的样品表面的拓扑结构和其他形态信息。
在AFM中,探针头通常被制成尖锐的棱台形,通过控制探头的运动,将探头与样品表面的相互作用力转换为悬挂探头的微小位移,从而获得表面轮廓和样品的特定形态信息。
AFM可以实现单分子的直接观测,其分辨率达到纳米级别。
(三)SMFSMF是一种通过荧光技术对单分子信号进行检测的方法,可用于单分子的检测、成像和跟踪。
在SMF中,材料分子通常与荧光染料或荧光标记结合,通过激光的激发和探测荧光信号来确认单分子的位置和结构信息。
SMF技术可以在生物学、材料科学、纳米科学和化学等领域中应用。
(四)SOMSOM是一种基于单分子调制和散射(SMM)的技术,将光通过单分子散射物体,并探测单分子的光学谐振成像。
SOM可以提供基于物质属性的单分子图像,可用于分子和纳米材料的表征和操作。
二、单分子动态和结构的高精度测量在材料学和生物学研究中的应用单分子动态和结构的高精度测量技术可应用于材料科学、生物学、纳米技术和化学等领域。
(一)材料科学在材料科学中,单分子动态和结构的高精度测量对了解材料的特殊性质、质量、制备和表征至关重要。
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收稿:2012-07-24;修回:2013-03-01;基金项目:本文系国家重大专项(2011zx05011-004)、国家重大科技专项基金(No:2008ZX05011)和国家“863”项目(No:2008AA092801)资助项目;作者简介:曲彩霞(1987-),女,硕士研究生,研究方向为分析化学及油田化学。
E-mail:qucaixia1987@yahoo.com.cn;*通讯联系人,E-mail:lmrong888@163.com.原子力显微镜与动态光散射研究疏水缔合聚丙烯酰胺微观结构曲彩霞1,李美蓉1*,曹绪龙2,张继超2,陈翠霞1,黄 漫1(1.中国石油大学(华东)理学院,青岛 266580;2.中国石化胜利油田地质科学研究院,东营 257015) 摘要:驱油用疏水缔合聚丙烯酰胺(HAP)性能优劣由其微观结构决定,优选研究HAP微观结构的方法,方便现场准确筛选功能良好的驱油聚合物。
本文通过原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)观察了不同浓度HAP溶液的微观结构,动态光散射(DLS)与AFM分析了粒径分布。
结果表明,随着聚合物浓度的增加,DLS测得粒径增大,粒径分布由单峰变为双峰;SEM观察到由无空间网络结构,到相对松散、易被盐破坏空间网络结构,再到不易被盐破坏的完整、致密的网络结构;AFM可以同时得到一定空间结构以及与DLS相符的粒径大小,三种方法综合比较发现,结合三种不同的表征手段能够较好的、较全面的表示HAP在溶液中的微观结构。
关键词:疏水缔合聚丙烯酰胺;微观结构;扫描电镜;原子力显微镜;动态光散射HAP是指在常规的聚合物主链上引入极少量(摩尔分数小于2%)疏水基团所形成的一类新型聚合物[1]。
在三次采油中可以提高水相粘度和降低地层中水的相对渗透率,改善油水前沿的相对流度比,提高驱替体系的波及系数,从而提高原油采收率。
HAP溶液获得较高表观粘度以及抗盐性的基本原理是:临界缔合浓度(CAC)之后,不同分子疏水基团之间相互缔合,开始形成聚集体,亲水基长链相互缠绕,开始形成网络结构,随着浓度的增加,分子间缔合增强,骨架变粗,进一步形成一种受盐离子影响较小的空间网络结构[2]。
目前分析聚合物微观结构的方法较多,SEM、AFM和DLS[3]是几种较为常见的分析方法。
王等[2]用SEM研究其疏水缔合性质;韩等[4]用动态光散射方法研究了HAP与普通聚丙烯酰胺(HAPM)在水溶液中的行为,找到了HAP和HAPM性能差异的根本原因。
陈等[5]利用AFM将HAP与HAPM对比,证实了HAP溶液中网络结构的存在,分析疏水缔合型聚丙烯酰胺的增粘机理。
本文利用SEM、AFM和DLS三种方法分析HAP溶液的微观结构,综合比较三种方法的优劣,以筛选出能够全面地反映HAP微观结构的表征手段。
1 实验部分1.1 试剂与仪器HAP为胜利油田地质院提供疏水缔合部分水解聚丙烯酰胺(用无水乙醇抽提,真空干燥恒重备用);二次蒸馏水:实验室自制。
其它试剂均为分析纯。
采用美国BROOKFIELD公司Brookfield DV-Ⅱ+Pro型粘度计测定聚合物表观粘度;日本日立公司S-4800冷场扫描电镜观察溶液结构;英国马尔文公司Zatasizer Nano ZS型高灵敏度动态光散射仪分析粒径;美国DI公司NanoScopeⅣa原子力显微镜进行微观分析。
1.2 矿化水的配制配制矿化度为19334mg/L的模拟矿化水,在二次蒸馏水中加入相应的盐。
将0.8572g六水氯化镁、1.136g氯化钙、17.34g氯化钠溶于1L二次蒸馏水中配制而成。
·75· 第6期 高 分 子 通 报DOI:10.14028/ki.1003-3726.2013.06.0141.3 粘度的测量在烧杯中加入二次蒸馏水,开动搅拌器,调节转速至旋涡延伸至容器底部75%高度,匀速加入疏水缔合聚丙酰胺干粉,在200r/min下连续搅拌3h至完全溶解,静置24h后,配成5000mg/L的母液。
分别将聚合物母液用二次蒸馏水和矿化水稀释到不同浓度,用电磁搅拌器搅拌2h后在25℃下恒温20min,剪切速率为42.22s-1,测定其粘度。
1.4 SEM观察溶液结构用二次蒸馏水和矿化水配制不同质量浓度的聚合物溶液,在室温25℃下,用搅拌器搅拌约2h,用移液枪分别取100μL溶液滴在采用超声波处理的新云母片上,使它尽量铺展成膜,尽量保持聚合物水化分子的原有结构和形貌,自然干燥,再进行喷金,最后用S-4800冷场扫描电镜观察聚合物的形态,实验温度为25℃,选择电压5.0kV。
1.5 DLS分析粒径用Zatasizer Nano ZS型高灵敏度动态光散射仪测定样品溶液的粒径分布。
分析仪采用He-Ne光源,功率10mW,波长633nm,散射光强测定角度为173°,测定温度为25℃。
1.6 AFM进行微观分析移取10μL聚合物溶液至新鲜剥离的云母片上并尽量铺展使之成膜,室温下干燥。
用美国DI公司生产的NanoscopeⅣa原子力显微镜,所用探针为商用Si3N4探针,以轻敲模式在室温下观察聚合物溶液的微观形貌。
2 结果与讨论2.1 HAP溶液表观粘度疏水缔合聚合物溶液的表观粘度主要取决于分子链间的相互作用和分子链(束、团)的粒径。
聚合物HAP在蒸馏水和矿化水中的粘浓曲线见图1。
图1 表观粘度与聚合物浓度之间的关系Figure 1 Relationship between apparent viscosity and concentration of polymer当HAP的浓度较低时,分子链由于疏水基团的分子内缔合效应而发生卷曲,这时对溶液粘度起作用的主要是聚合物粒径;随着浓度的进一步增加,当聚合物浓度高于其临界缔合浓度后[6],分子间的缔合作用逐渐增强,致使聚合物溶液的粘度显著上升,粘浓曲线以较大斜率变化。
由图1知,该聚合物为HAP,它的临界缔合浓度为150mg·L-1。
矿化度对HAP溶液影响主要有两方面:对静电排斥及水化作用的影响和对疏水缔合作用的影响。
一方面,屏蔽聚合物链上羧基离子以及改性引入的磺酸根之间的斥力,使高分子链卷曲收缩,流体力学体积减小,同时,盐离子的去水化作用,使水化膜变薄,粘度降低;另一方面,盐的加入使溶剂的极性增大,HAP分子间缔合增强,导致表观粘度增加,当盐对静电排斥作用的影响大于对疏水缔合作用的影响时,聚合物溶液的表观粘度降低;反之,则聚合物溶液的表观粘度增加。
如图1,浓度在500mg·L-1内,聚合物溶液抗盐性不强,因为在低浓度下,分子间缔合较弱,形成的网络结构较为松散,盐对静电排斥作用的影响大于对疏水缔合作用的影响,使高分子链卷曲收缩,网络结构被破坏,粘度损失率为74.75%。
浓度·85· 高 分 子 通 报2013年6月 为1500mg·L-1,聚合物溶液抗盐性增强,因为在高浓度下,分子间缔合较强,形成的网络结构较为致密,虽然盐对静电排斥作用的影响大于对疏水缔合作用的影响,使高分子链卷曲收缩,但高浓度下分子间缔合作用较强,网络结构只有被部分破坏,粘度损失率为54.79%。
2.2 DLS测HAP粒径由2.1粘度测量知,HAP溶液临界缔合浓度为150mg·L-1,当浓度为100mg·L-1,溶液处于临界缔合浓度之前,主要为分子内缔合;当浓度为500mg·L-1,溶液处于临界缔合浓度之后,主要为分子间缔合;矿化水配制浓度为500mg·L-1 HAP溶液,粘度明显降低。
由图2知,浓度为100mg·L-1的聚合物溶液,出现单峰,DLS测定的散射光强累计显示,粒径分布于147.7~229.3nm,可能为单分子聚集体的粒径,表明为分子内缔合产物;浓度为500mg·L-1的聚合物溶液,出现双峰[8],粒径分布于61.21~307.6nm处有一个面积较小的峰,表明有分子内缔合产物,粒径分布于307.6~1545nm处有一个面积很大的峰,可能为分子间缔合产生的聚集体的粒径,表明有分子间缔合产物[9,10];矿化水配制浓度为500mg·L-1的聚合物溶液,依然有双峰,但双峰均左移,盐离子对分子链产生电荷屏蔽作用,使静电斥力作用减弱,聚合物分子链产生空间卷曲,同时发生去水化,分子链的水化层变薄,相邻水化层间距减小,水化膜粘弹性减小,导致分子线团蜷缩的位阻基本消失,粒径变小,分子间缔合的强度变弱,相应的粘度也会有较大的降低。
图2 动态光散射测定聚合物粒径分布图Figure 2 Intensity distribution of HAP solutions by DLS2.3 冷冻蚀刻SEM与普通SEM观察聚合物溶液微观形态用液氮速冻法使聚合物溶液快速固化,锁定聚合物水化分子形态,然后在冷冻真空干燥仪中使水分子升华,尽量保持聚合物水化分子的原有结构和形貌,利用SEM观察到聚合物溶液的微观结构为3(a);自然干燥得到干片,利用SEM观察到聚合物溶液的微观结构为3(b)。
图3 不同制样方法的HAP聚合物SEM图(a)矿化水配制500mg·L-1 HAP聚合物冷冻蚀刻SEM图(×10000);(b)矿化水配制500mg·L-1 HAP聚合物SEM图(×22000)Figure 3 SEM images of HAP polymer at different procedure(a)500mg·L-1 SEM of Freeze-etching under mineralized contents(×10000);(b)500mg·L-1SEM under mineralized contents(×22000)·95· 第6期 高 分 子 通 报图3(a)和3(b)均为矿化水配制浓度500mg·L-1的聚合物溶液,冷冻刻蚀制样,对表面形貌影响较小,可以清楚地看到形成骨架粗细不均匀的空间网络结构[7];而自然干燥制样过程,浓度变化,使观察的形貌与溶液状态可能存在一定差异,但制样过程尽量将溶液铺展成薄膜,使干燥时间缩短,尽量减少干燥过程对聚合物形貌的影响,然后选择成膜较好的样品进行观察,可以看到松散网络结构,可进行定性解释。
2.4 SEM观察聚合物溶液微观形态蒸馏水以及矿化水配制的不同浓度HAP溶液的SEM见图3(a)~3(f)。
图4 不同浓度HAP聚合物SEM图(a)100mg·L-1 SEM图(×20000);(b)500mg·L-1 SEM图(×20000);(c)矿化水配制500mg·L-1 SEM图(×300);(d)矿化水配制500mg·L-1 SEM图(×22000);(e)1500mg·L-1 SEM图(×20000);(f)矿化水配制1500mg·L-1 SEM图(×20000)Figure 4 SEM images of polymer at different concentration(a)100mg·L-1 SEM image(×20000);(b)500mg·L-1 SEM image(×20000);(c)500mg·L-1 SEM image under mineralized contents(×300);(d)500mg·L-1 SEM image under mineralized contents(×22000);(e)1500mg·L-1 SEM image(×20000);(f)1500mg·L-1 SEM image under mineralized contents(×20000)图4(a)为浓度100mg·L-1即临界浓度之前SEM图,聚合物较为松散的分布在空间内,无空间网络结构,可能因聚合物分子链卷曲,主要为分子内缔合,对应溶液粘度很低;图4(b)为浓度500mg·L-1即临界浓度之后SEM图,形成一定的空间网络结构[7],且骨架粗细不均匀,链节处有凸起,出现这种形态的原因是出现分子间缔合作用,疏水基团相互聚集,而聚合物分子链上的亲水基团与水介质之间存在溶剂化·06· 高 分 子 通 报2013年6月 作用,将自由水变为束缚水,聚合物分子表面形成了较厚的水化膜,聚合物粘度增加显著;图4(c)为矿化水配制浓度500mg·L-1的聚合物溶液,聚合物在矿化水中形成了连续的松枝状结构,发现“松枝”主干和细枝都是由很小的颗粒聚集而成,对“松枝”边缘进行2μm范围内的扫描,得到4(d),可以看出网络结构骨架变细,破坏空间网络结构,主要是盐的加入使溶液极性增大,疏水基团缔合作用增大,但疏水基团的水化膜也变薄,且会对分子链产生电荷屏蔽作用,从而使分子链伸展程度降低,分子链卷曲,粘度也会相应降低;图4(e)为1500mg·L-1浓度下SEM图,相比500mg·L-1聚合物溶液,形成更完整、致密的多层次网络结构,分子间缔合作用增强,在宏观上表现为表观粘度很大;图4(f)为矿化水配制浓度500mg·L-1的聚合物溶液,原来致密、均匀的空间网络结构在盐的作用下变的相对不均匀、松散,但为结构破坏不严重,粘度降低也不严重。