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什么叫界面？基于動(dòng)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 1361 次 發(fā)布時(shí)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(huì)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(gè)簡單的二維界面，而是一個(gè)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(dòng)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(huì)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(chǔ)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(duì)提出了一套通過表征動(dòng)態(tài)懸滴精確測量界面性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)測量方法，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、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(duì)優(yōu)化了從樣品預(yù)處理、儀器改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)測量到數(shù)據(jù)分析的全流程，提供了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)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(yàn)證了方法的有效性和準(zhǔn)確性。整套實(shí)驗(yàn)流程可基于不同實(shí)際條件在數(shù)天內(nèi)完成。圖2動(dòng)態(tài)懸滴表征（左圖）；界面張力及界面流變性實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)作用，同時(shí)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(xiàng)目（No.42372151）、優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（海外）、博士后國際交流計(jì)劃引進(jìn)項(xiàng)目（No.YJ20220022）和博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（No.2023M740048）以及北京大學(xué)鄂爾多斯能源研究院聯(lián)合資助。