分子和表面間相互作用在工業(yè)工程中的重要性

在復(fù)雜流體中，化學(xué)試劑、固體顆粒、氣泡、液滴和固體表面間的相互作用在許多工程過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，如泡沫浮選、乳液和泡沫形成、吸附、污垢、防污現(xiàn)象等。這些分子、納米和微觀尺度上的相互作用顯著地影響并決定了相關(guān)工程過(guò)程的宏觀性能和效率。因此，理解其中的分子間和表面間相互作用具有基礎(chǔ)和實(shí)際意義，不僅能改善生產(chǎn)技術(shù)，而且為新材料的開(kāi)發(fā)提供有價(jià)值的研究方向。

在過(guò)去的幾十年中，各種先進(jìn)的納米力學(xué)技術(shù)得到了發(fā)展，如表面力儀(SFA)、原子力顯微鏡(AFM)、光鑷(OT)、磁鑷(MT)。SFA和AFM是在各種工程過(guò)程和材料系統(tǒng)中探測(cè)分子間力和表面力最常使用的力測(cè)量技術(shù)。SFA可以測(cè)量隨兩表面間絕對(duì)距離（分辨率0.1 nm）變化的兩個(gè)曲面之間的力F（靈敏度10 nN）。

AFM被廣泛用于真空、氣體和液體介質(zhì)中多種材料的高分辨率成像和力測(cè)量，并開(kāi)發(fā)了不同探針應(yīng)用于多種體系，包括納米級(jí)（或表面功能化）探針、膠體探針、氣泡或液滴探針。然而，AFM力測(cè)量中獲得的間距通常是不確定的，尤其是對(duì)于柔軟的材料和高度變形的表面。

與AFM相比，SFA測(cè)量具有較高的F/R分辨率或單位面積相互作用能。兩個(gè)相對(duì)的云母表面可以被不同的有機(jī)和無(wú)機(jī)涂層（如二氧化硅、金、氧化物、表面活性劑、聚合物和蛋白質(zhì)）以不對(duì)稱(chēng)或?qū)ΨQ(chēng)的構(gòu)型進(jìn)行修飾，周?chē)慕橘|(zhì)可以是氣體、蒸氣、水溶液或有機(jī)溶劑。SFA測(cè)量的表面或薄膜通常是透明或半透明的，且表面粗糙度較低。除了法向力，SFA還可以用于量化兩個(gè)表面之間的橫向力，以研究納米級(jí)的各種摩擦、流變和潤(rùn)滑現(xiàn)象。

OT使用梯度激光來(lái)捕獲和操縱介電粒子，而MT可以通過(guò)梯度磁場(chǎng)操縱順磁珠。OT和MT的力靈敏度相對(duì)高，常被應(yīng)用于生物體系。OT技術(shù)的局限性在于：由于在測(cè)量過(guò)程中激光功率較強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致樣品發(fā)熱，可能會(huì)損壞樣品。MT技術(shù)可以同時(shí)控制多個(gè)磁珠，但主要局限在于磁場(chǎng)的遲滯，以及時(shí)空分辨率受視頻數(shù)據(jù)采集的限制。

1.礦物浮選

在礦物工程中，泡沫浮選是選擇性地收集理想和有價(jià)值的礦物顆粒的關(guān)鍵工藝。將原礦礦石粉碎并研磨釋放所需的成分，然后將其與含有調(diào)理劑（如收集劑、抑制劑）的水進(jìn)一步混合，接著將氣泡引入混合物中以捕獲疏水性顆粒，疏水性顆粒一起向上流動(dòng)并形成泡沫，而親水性顆粒則保留在本體混合物中。其中，氣泡-礦物質(zhì)的相互作用起著決定性作用，可能會(huì)受到顆粒表面吸附的界面活性試劑和水相條件（如流體力學(xué)條件、離子類(lèi)型和濃度）的影響。因此，全面地了解水介質(zhì)中固體礦物顆粒、氣泡和界面活性劑之間的相互作用，對(duì)于精確調(diào)節(jié)浮選工藝中相關(guān)的表面間相互作用以及開(kāi)發(fā)先進(jìn)的界面活性劑以提高分離效率具有重要意義。

2. 石油開(kāi)采

石油生產(chǎn)中需要解決的挑戰(zhàn)包括乳液的穩(wěn)定/去穩(wěn)定、污垢問(wèn)題、油/水分離和尾礦水處理。瀝青質(zhì)是石油流體中最重的餾分，傾向于形成納米聚集體，通常具有界面活性，并且對(duì)水-油、油-固界面有很強(qiáng)的吸附作用，會(huì)導(dǎo)致形成不良的穩(wěn)定乳狀體，對(duì)生產(chǎn)設(shè)施造成腐蝕和污垢積累，甚至造成管道堵塞。瀝青質(zhì)在水-油界面的吸附作用可以改變界面張力、流變性、彈性和黏度。因此，了解瀝青質(zhì)的界面性質(zhì)及其對(duì)乳液穩(wěn)定和去穩(wěn)定機(jī)理的影響在重油工業(yè)中具有重要的實(shí)際意義。

3. 廢水處理

大量的工業(yè)廢水包含的各種污染物需要在排放之前清除，以達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)并最大限度地減少對(duì)環(huán)境和生物的威脅。有機(jī)污染物是可能威脅生物和生態(tài)系統(tǒng)健康的主要污染物之一。常見(jiàn)的有機(jī)污染物包括殺蟲(chóng)劑、藥物、染料、增塑劑和阻燃劑。吸附技術(shù)已被證明是一種從廢水中去除有機(jī)污染物的簡(jiǎn)便有效的方法。正滲透(FO)過(guò)濾是另一種在廢水處理中顯示出優(yōu)勢(shì)的技術(shù)，具有有效、低污垢污染傾向和成本低廉的優(yōu)勢(shì)。FO處理是指通過(guò)使用由滲透壓梯度驅(qū)動(dòng)的半透膜將水與溶解的污染物分離的過(guò)程。

4. 儲(chǔ)能材料

隨著對(duì)電動(dòng)車(chē)需求的快速增長(zhǎng)，對(duì)清潔和可持續(xù)的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)（如電池和電化學(xué)電容器）的設(shè)計(jì)和制造提出了很高的要求。發(fā)展具有長(zhǎng)壽命、高能量和功率密度等改進(jìn)功能的儲(chǔ)能設(shè)備至關(guān)重要。在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，鋰離子電池由于具有高能量密度而顯示出廣闊的前景，而插層型硅因?yàn)榫哂懈呃碚摫热萘亢偷头烹婋妷簞t成為最有希望的負(fù)極材料之一。但是，硅在充電/放電循環(huán)中會(huì)發(fā)生較大的體積變化，這可能導(dǎo)致負(fù)極損壞并縮短電池循環(huán)壽命。結(jié)合使用黏合劑和硅顆粒在硅負(fù)極中構(gòu)建自愈導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在解決這一具有挑戰(zhàn)性問(wèn)題的同時(shí)，也為提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性提供了一種可能的解決方案。因此，在設(shè)計(jì)高性能和長(zhǎng)壽命的硅陽(yáng)極時(shí)，必須了解和研究導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的自愈機(jī)理以及黏合劑與硅顆粒之間的附著力。