資源描述：
《石英晶體微天平在高分子科學(xué)中的應(yīng)用_劉光明》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、·174·高分子通報(bào)2008年8月石英晶體微天平在高分子科學(xué)中的應(yīng)用3劉光明,張廣照(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)物理系,合肥230026)摘要:固P液界面上高分子的行為直接影響著界面的物理和化學(xué)性質(zhì)。對(duì)于高分子在界面的動(dòng)態(tài)行為,由于缺乏有效的手段,檢測(cè)一直十分困難。最近,一種頻率2耗散聯(lián)用型石英晶體微天平(QCM2D)問世,它能夠同時(shí)檢測(cè)固P液界面上有關(guān)高分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的變化,因而可應(yīng)用于界面高分子研究的多個(gè)方面。本文介紹石英晶體微天平的基本原理,并綜述作者實(shí)驗(yàn)室最近幾年利用QCM2D開展的若干工作,包括固P液界面上高分子鏈的構(gòu)象變化,固P液界面上高分子的吸附,高分子降解動(dòng)力學(xué)和聚電解
2、質(zhì)的“層層組裝”等方面。關(guān)鍵詞:石英晶體微天平;固P液界面;高分子層;構(gòu)象變化引言無論在工業(yè)生產(chǎn),還是在日常生活中“,界面”無處不在。雖然界面科學(xué)研究已經(jīng)走過了兩百多年的歷史,但是它依然是當(dāng)今最重要的科學(xué)研究領(lǐng)域。通過有效的方法來控制和調(diào)節(jié)界面的物理和化學(xué)性質(zhì)是界面科學(xué)的重要發(fā)展方向。由于高分子科學(xué)的發(fā)展,具有不同功能的高分子不斷被合成出來,高分子經(jīng)常被用于制備具有不同性質(zhì)的界面。為了對(duì)高分子界面的性質(zhì)進(jìn)行控制,必須對(duì)其性質(zhì)尤其是動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行表征。在過去的幾十年中,一些新的界面表征技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來,包括表面等離子體共振儀[1][2](surfaceplasmonresonance
3、)、橢圓率偏振光測(cè)量?jī)x(ellipsometer)、原子力顯微鏡(atomicforce[3][4]microscopy)、朗繆爾天平(Langmuirbalance)和頻振動(dòng)光譜(sumfrequencygenerationvibrational[5]spectroscopy),等等。然而,這些表征手段提供的信息仍然有限。特別是單一使用時(shí),有的只能給出界面上高分子層的厚度信息,有的只能提供界面上高分子的結(jié)構(gòu)信息。而且,不同手段獲得的結(jié)果還經(jīng)常相互矛盾。頻率2耗散聯(lián)用型石英晶體微天平(Quartzcrystalmicrobalancewithdissipation,QCM2D)是
4、近年發(fā)展[6]起來的一項(xiàng)新的技術(shù),由于它能夠同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)界面上有關(guān)高分子的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)變化,因而能夠?yàn)槊枋龊屠斫饨缑嫣貏e是固P液界面上高分子的行為提供有用的信息。在本文中,作者將結(jié)合自己的工作,介紹QCM2D基本原理及其在高分子科學(xué)中的若干應(yīng)用。1QCM2D測(cè)量的基本原理傳統(tǒng)的石英晶體微天平(QCM)是根據(jù)壓電效應(yīng)制成的。也就是,當(dāng)在石英晶體上施加一交流電壓,如電壓的頻率與石英的固有諧振頻率接近,石英晶體就會(huì)按其固有頻率不斷振蕩。德國(guó)科學(xué)家Sauerbrey發(fā)現(xiàn),如在石英晶體表面添加一層薄膜,則石英晶體頻率降低,且降低的幅度與薄膜的質(zhì)量成正比。1959年,Sauerbrey建立了有
5、關(guān)石英晶體表面的質(zhì)量變化和石英晶體頻率變化的定量關(guān)系,即石英晶體的頻率[7]變化(Δf)與晶體表面的質(zhì)量變化(Δm)呈正比,這就是著名的Sauerbrey方程:ρqhqΔfΔmf=-=-CΔf(1)f0n式中ρq和hq分別為石英晶體的密度和石英片子的厚度,f0為基頻,n為泛頻數(shù),C=ρqhqPnf0。Sauerbrey方程僅適合于真空或空氣中的剛性薄膜,所以QCM在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)僅用于薄膜厚度的作者簡(jiǎn)介:劉光明(1979-),男,博士,主要從事高分子物理化學(xué)研究;3通訊聯(lián)系人:E2mail:gzzhang@ustc.edu.cn.第8期高分子通報(bào)·175·檢測(cè)。QCM之所以最初未
6、用于液相體系,主要是因?yàn)槿藗冨e(cuò)誤地認(rèn)為在液相中耗散太大,很難找到一個(gè)[8]合適的振蕩電路使壓電振子維持穩(wěn)定的振動(dòng)并得到正確的信號(hào)。1982年,Nomura和Okuhara發(fā)現(xiàn)QCM[9]在液相中能夠得到很好的信號(hào),開啟了QCM在液相體系中的應(yīng)用。1985年,Kanazawa和Gordon解出了邊界條件限制下剪切波在石英晶體片子和液相(牛頓流體)間的傳播方程,即:1P23P21P2Δf=-nf0(ηρllPπμqρq)(2)式中ηl代表液相粘度,ρl代表液相密度,μq代表石英晶體的剪切模量。Kanazawa2Gordon關(guān)系的建立,使[10～12]QCM在液相體系中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。
7、然而,傳統(tǒng)的QCM只能提供與質(zhì)量變化(頻率)相關(guān)的信息,應(yīng)用領(lǐng)域仍然十分有限。1996年,Rodahl等利用Navier2Stokes方程得到了有關(guān)液相耗散因子變化(ΔD)的[13]方程:1P21P2ΔD=2(f0Pn)(ηρllPπμqρq)(3)事實(shí)上,如果石英晶體表面吸附的薄膜浸入液體之后,頻率和耗散還與薄膜的粘彈性有關(guān)。薄膜的復(fù)數(shù)剪切模量(G)為:G=G′+iG″=μf+i2πfηf=μf(1+i2πfτf)(4)G′代表薄膜的儲(chǔ)存模量,G″代表薄膜的耗散模量,μf代表薄
