1、表面活性劑系統(tǒng)是軟凝聚態(tài)物理研究的的重要對象之一.以表面活性劑為代表的雙性分子,大量的存在于化學和生物體系中.這類分子一端親水一端親油的特性使其能夠在液體系統(tǒng)中引起的各種豐富多彩的界面現(xiàn)象,對各種復雜流體的物理特性的形成,有著極重要的作用.然而,與雙性分子系統(tǒng)界面相關的問題中的相當一部分直到目前為止都沒有系統(tǒng)的研究和解釋.本文著眼于從物理學的角度考慮此類問題,全面系統(tǒng)的研究表面活性劑溶液/甲基硅油(PDMS)兩相系統(tǒng)中的表面/界面上與浸

2、潤,擴展有關的物理性質.第一章和第二章詳細介紹了該課題的研究背景和相關研究進展,包括理論和實驗.從文章的第三章開始介紹了實驗系統(tǒng),現(xiàn)象,數(shù)據(jù)統(tǒng)計,以及相關結果討論. PDMS(甲基硅油)油滴一旦接觸到SDS(十二烷基硫酸鈉)溶液表面,將會立即鋪展擴散成為一層油膜覆蓋溶液表面,與硅油在純水表面擴散類似.但是由于表面活性劑的因素,在一個特定的SDS濃度范圍內,經(jīng)過一定的時間,這層油膜會再次回聚形成一個漂浮在溶液表面的宏觀透鏡狀油滴(

3、oil lens),油滴以外的溶液表面部分被一層極薄的油層所覆蓋.由于這樣的浸潤現(xiàn)象介于通常的完全浸潤(cornpletewetting)與不完全浸潤(partial wetting)之間,該狀態(tài)在文獻中被稱為贗不完全浸潤(pseudopartial wetting).對于SDS溶液來說,此現(xiàn)象僅發(fā)生在濃度為cmc(臨界膠束濃度)值附近的一個范圍內.低于或者高于這個濃度范圍時,擴展出去的油膜相當穩(wěn)定,均不會再次回聚.我們在該系統(tǒng)下進行了

4、一系列的實驗,包括: 1)利用橢圓偏振儀測量各種狀態(tài)下溶液覆蓋的PDMS膜層厚度,包括純水表面,油滴回聚之后的溶液表面,以及油滴完全鋪展不回聚的溶液表面等等.本文分析了各種狀態(tài)下油膜的厚度與表面能量狀態(tài)的關系,并由實驗數(shù)據(jù)計算了溶液濃度在cmc附近時,Van der Waals與泰勒展開兩種能量形式假設下的兩個Hamaker常數(shù)項的值. 2)通過teflon顆粒跟蹤方法,我們測量了不同濃度的SDS溶液表面上PDMS油滴接

5、觸溶液后的鋪展速度,得到鋪展速度與溶液性質的關系,并觀察到在不同的浸潤狀態(tài)下,PDMS油滴的鋪展方式有著明顯差別.特別是在SDS溶液處于中問濃度時,測量得到鋪展行為明顯與文獻中理論預言有偏差,原因為現(xiàn)有理論所用理想化能量形式在系統(tǒng)處于完全浸潤條件下能夠較好的符合實際情況,但是,當系統(tǒng)最終平衡狀態(tài)不是完全浸潤時,這個簡單的能量形式不能全面反映系統(tǒng)中各方面的相互作用.就此我們對原有理想形式的理論模型加上一個能量項修正.這樣使得在無論系統(tǒng)最終

6、狀態(tài)是否是完全浸潤,理論計算值與實驗值都能夠較好的吻合. 3)我們觀察了油膜回聚成透鏡狀油滴后,在溶液表面的長時間狀態(tài)變化.對于每一個濃度下的表面,我們都拍攝了長達100小時的溶液表面變化照片.數(shù)據(jù)分析表明,回聚后油滴半徑以及長時間變化的特性等等都與表面活性劑濃度/表面能量狀態(tài)/鋪展系數(shù)等等因素有關. 4)溫度不同時,系統(tǒng)中各相的表面張力,界面張力以及表面活性劑cmc值都會發(fā)生明顯變化,因而導致浸潤狀態(tài)亦會隨之變化.我們

7、觀測了在不同溫度情況下,SDS溶液表面浸潤情況的變化.在283K,298K,313K三個溫度下PDMS油滴在SDS溶液表面隨濃度增加的浸潤變化情況有所不同. 我們對另外一種表面活性劑樣品Triton-X100溶液也進行了類似的觀測.該類試劑與SDS最大的不同是后者為離子型表面活性劑,在水溶液中發(fā)生電離,以離子形式產(chǎn)生表面活性作用;而Triton-X100為非離子表面活性劑,在水溶液中以完整的分子形式存在.這樣就導致這兩種樣品的油

8、相水相之間的浸潤行為隨濃度變化情況一定有不同.本文中從能量平衡的角度分析了該樣品不同濃度溶液表面浸潤情況,并與SDS樣品進行了比較.主要實驗包括: 1)我們觀察到PDMS/Tritonl-X100溶液系統(tǒng)極為特殊的鋪展動力學過程.與通常液一液系統(tǒng)表面的快速鋪展完全不同,在低濃度/高鋪展系數(shù)時,該系統(tǒng)表現(xiàn)出極慢的鋪展速度.我們稱之為類固鋪展(solid-likespreading),其時間尺度與液.固系統(tǒng)極為接近.隨著濃度升高/鋪

9、展系數(shù)降低,系統(tǒng)的鋪展速度反而增加. 2)系統(tǒng)在短時問尺度上表現(xiàn)出的平衡狀態(tài),與PDMS/SDS溶液系統(tǒng)亦有不同.在濃度增大至某一數(shù)值時,PDMS油滴的表面浸潤狀態(tài)會發(fā)生從完全浸潤到準不完全浸潤的轉變,同樣溶液的表面會形成透鏡狀油滴.但是之后隨著Triton-x100溶液濃度繼續(xù)增大,油相水相間浸潤情況沒有如SDS溶液一樣的返回完全浸潤狀態(tài),而是始終處于準不完全浸潤狀態(tài),高濃度的系統(tǒng)表現(xiàn)出極快的鋪展和回聚過程. 3)高濃

10、度時回聚形成的贗不完全浸潤狀態(tài)在經(jīng)過長時間(數(shù)小時)后,其回聚油滴將會逐漸消失,系統(tǒng)從而再次回到完全浸潤狀態(tài).油滴的二次消失現(xiàn)象,是該系統(tǒng)在高濃度時又一個特殊性質,與SDS系統(tǒng)完全不同.二次消失時間隨濃度增加而逐漸縮短. Triton-X100系統(tǒng)中這些浸潤情況在文獻中均沒有正式報道過,其中相當多的現(xiàn)象與理論預言相反,或者現(xiàn)有理論無法完全解釋,表明此系統(tǒng)中的確存在以往沒有考慮過的能量作用.初步推測這類作用的來源可能與溶液中形成的