探索固液界面微觀結構

材料的物理化學性質不僅由其內部的組分、結構決定，而且與其周圍的介質環境及表界面性質息息相關。而水作為常見的介質環境，不僅與材料產生多種不同的作用力，如親水作用力、疏水作用力，甚至會與材料發生各種物理和化學過程，從而對材料的性能產生重要影響。因此，在分子層面解析水與材料表面的相互作用與化學過程，對深入研究材料的表界面性質、形成機理具有重要的推動作用，同時有助于指導人們開發更好的材料與器件。

島津 SPM-8100FM

圖1  島津SPM-8100FM

當前市場上掃描探針顯微鏡（SPM）有多個品牌，大多數都是使用調幅模式（AM），但是在原理上調頻模式（FM）可以獲得更高的圖像分辨率。島津SPM-8000FM就是采用調頻檢測方法，成為世界上商品化調頻模式的掃描探針顯微鏡（注：原子力顯微鏡只是掃描探針顯微鏡的一種），并榮獲2014年第57屆“新產品獎”。而SPM-8100FM為SPM-8000FM的升級款，與之相比不僅分辨率有了進一步的提升，穩定性也得到了大幅提升。它不僅在大氣及液體環境中達到了超高分辨率的觀察，還實現了對固液界面的水化層作用或溶劑化作用層的觀察，恰好適用于水-材料表界面性質的研究。下面小編就向大家介紹島津SPM-8100FM（圖1）在研究水與不同材料表界面作用中的應用。

采用SPM-8100FM 測試樣品

圖2  固定在液體池中三個樣品的光學圖片

小編通過三種不同的樣品向大家展示：親水的云母片、疏水的高定向熱解石墨（HOPG）以及可以與水發生反應的方解石（圖2）。采用SPM-8100FM的調頻模式即可對樣品的固液界面進行Z-X方向測試，也就是測試垂直于樣品表面的水分子排布，測試示意圖如圖3所示。

圖3  液體樣品池測試示意圖

測試結果

圖4  測試所得三種體系的SPM圖及水分子分層信息

所得結果（圖4）中的下方黑色區域為固相（即方解石、云母和HOPG），緊靠其上表面的規整區域就是排布在固相表面的水分子層，圖中紅色虛線框標記的就是一個水分子哦。仔細對比，我們可以發現方解石和云母表面的水分子排布十分相似，但與HOPG表面的水分子排布相差很大。

對三者進行定量分析可知，第一層水分子距方解石、云母及HOPG的表面距離分別為0.15nm 、0.21nm 和0.38nm ，而第二層水分子的距離分別為0.34nm 、0.35nm 和0.92nm。有力地證實了水分子易在親水材料表面鋪展，而在疏水表面具有較大的水分子層間距，這也是水在普通紙張和荷葉表面具有不同鋪展性的原因。