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什么叫界面?基于動態(tài)懸滴表征的界面性質(zhì)精確測定方法

來源:地球與空間科學(xué)學(xué)院 瀏覽 215 次 發(fā)布時間:2024-10-09

什么叫界面?界面是兩種具有不同性質(zhì)的相之間的邊界,其性質(zhì)的精確表征在解釋自然現(xiàn)象和改造人類社會過程中值得關(guān)注。界面是指兩種具有不同性質(zhì)的相之間的邊界。嚴(yán)格來說,兩相之間的邊界并非一個簡單的二維界面,而是一個相互滲透、性質(zhì)逐漸變化的三維界面區(qū)。盡管界面層的厚度通常只有幾納米,但它在實(shí)際中呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。與體相不同,界面處的物質(zhì)具有獨(dú)特的物理化學(xué)特性,這些界面性質(zhì)決定了界面上各類分子和原子的行為,進(jìn)而影響系統(tǒng)的整體性能。


界面性質(zhì)在自然界和日常生活中都扮演著重要角色。植物根莖內(nèi)的導(dǎo)管可以看作極細(xì)的毛細(xì)管,由于界面相互作用,植物能夠通過根莖吸收土壤中的水和養(yǎng)分。一些植物和動物為了適應(yīng)極端環(huán)境,發(fā)展出了獨(dú)特的表面特性:例如,荷葉表面具有自清潔特性,使其在沼澤環(huán)境中保持清潔。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,植物表面的潤濕性以及液體農(nóng)藥的界面張力會影響農(nóng)藥的使用效率;在油氣開采及CCUS過程中,界面張力對油氣采收率以及CO2利用封存效率作用顯著;在化妝品和藥物開發(fā)中,界面性質(zhì)決定了乳化劑的效果;在材料科學(xué)中,則影響涂層和膠粘劑的粘附性能。

此外,界面性質(zhì)還在食品加工、環(huán)保技術(shù)和能源存儲等領(lǐng)域起關(guān)鍵作用,直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。圖1荷葉表面自清潔能力-荷葉效應(yīng)(左);CO2在巖石孔隙中(右)(網(wǎng)圖)盡管界面性質(zhì)在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中具有至關(guān)重要的作用,其測定過程一直面臨著流程不規(guī)范、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定以及結(jié)果不一致等挑戰(zhàn)。近期,北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院能源研究院章凱強(qiáng)團(tuán)隊提出了一套通過表征動態(tài)懸滴精確測量界面性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗測量方法,從實(shí)驗設(shè)計、材料準(zhǔn)備、儀器校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)分析、不確定度分析到常見問題的排查與解析,提供了系統(tǒng)的解決方案。

研究團(tuán)隊優(yōu)化了從樣品預(yù)處理、儀器改進(jìn)、實(shí)驗測量到數(shù)據(jù)分析的全流程,提供了詳細(xì)的實(shí)驗操作指南,涉及液滴控制、系統(tǒng)校準(zhǔn)和光學(xué)干擾處理等關(guān)鍵步驟。通過對氣水兩相和氣水油三相體系實(shí)際測量的有效數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)的展示和分析,驗證了方法的有效性和準(zhǔn)確性。整套實(shí)驗流程可基于不同實(shí)際條件在數(shù)天內(nèi)完成。圖2動態(tài)懸滴表征(左圖);界面張力及界面流變性實(shí)驗測量數(shù)據(jù)(右圖)本研究為界面性質(zhì)的測定樹立了新的標(biāo)準(zhǔn),通過優(yōu)化動態(tài)懸滴表征方法,極大地提高了測量的可靠性和精度,體現(xiàn)了方法學(xué)創(chuàng)新;不僅對界面科學(xué)的基礎(chǔ)理論發(fā)展具有重要推動作用,同時為材料科學(xué)、化學(xué)工程、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。


北京大學(xué)能源研究院博士后潘子晴博士為第一作者,章凱強(qiáng)研究員為通訊作者,合作者包括英國帝國理工學(xué)院J.P.Martin Trusler教授與中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)金之鈞教授。本研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目(No.42372151)、優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目(海外)、博士后國際交流計劃引進(jìn)項目(No.YJ20220022)和博士后科學(xué)基金面上項目(No.2023M740048)以及北京大學(xué)鄂爾多斯能源研究院聯(lián)合資助。


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