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原子力显微镜在矿物表面电性研究中的应用

栏目:行业新闻 发布时间:2022-04-21

原子力显微镜扫描成像主要是根据表面地势(mophology)和表面力的变化来进行的,所以微探针可以直接扫描样品表面(探针与表面接触),这种扫描模式称为接触扫描模式(Contactmode)。另一种扫描模式称为轻敲模式(Tappingmode),在这种模式下微探针点击样品表面,只要点击点足够多的话同样可以得到表面地势信息。微探针也可以在样品表面保持一定高度(探针与表面没有接触)进行扫描,这种扫描模式就是通常说的非接触扫描模式。

原子力显微镜在矿物表面电性研究中的应用,电泳和滴定技术是研究矿物颗粒表面电性的常用手段,经典的动电理论是基于均匀带电的球形颗粒,只能测定颗粒的整体性质,且没有考虑颗粒形状和结构异向,针对高岭石和绿泥石等各向异性的矿物,通过颗粒的电泳运动不能准确分析出矿物表面电性。原子力显微镜技术能获得特定的面或者点的信息,并能针对纳米级别颗粒表面第一层进行检测,是精确测定矿物表面电性的有效手段。原子力显微镜测定矿物表面电性方法如下:在不同pH条件下测量氮化硅针尖或已知Zeta电位的胶体颗粒与矿物颗粒间相互作用力,根据“同性相斥异性相吸”的原理,将作用力与DLVO理论模型进行拟合,即可获得不同pH时的动电位和表面电荷密度,从而精确测定矿物表面电性。Yin利用这种方法推断出DLC针尖零电点。当pH大于4时DLC针尖与玻璃基底间的作用力为斥力,由于玻璃基底等电点约为2,可知pH大于4时DLC针尖带负电;当pH等于4时,针尖与玻璃基底之间没有静电作用力,可推断DLC针尖的等电点约为4。将DLC针尖和玻璃基底间的力-距离关系曲线与DLVO理论模型拟合,计算出不同pH值时DLC针尖的表面电荷密度和表面电位,结果表明DLC针尖的等电点约为4,且当pH大于4时针尖表面电荷几乎保持不变。

Gupta通过定向沉积的方法将高岭石硅氧四面体晶面和铝氧八面体晶面独立出来,然后通过原子力显微镜分析两个晶面的表面电性。选择弹簧常数为0.15N/m、大小为120nm的氮化硅探针。为减小基底的影响,选取大小为悬臂梁针尖2~3倍的高岭石颗粒进行力的测定,获得的力-距离关系曲线采用适用于金字塔针尖和平滑基底相互作用的DLVO理论进行拟合。

氮化硅针尖与高岭石硅氧四面体和铝氧八面体晶面间的作用力与距离如表2。在所研究的pH(pH4~10)条件下,硅氧四面体晶面和氮化硅针尖间的作用力主要为斥力,pH>4时,氮化硅针尖带负电,表明高岭石硅氧四面体晶面在pH4~10之间带负电,其零电点可能在pH<4的范围内。pH4、5、6条件下,铝氧八面体晶面和氮化硅针尖间的作用力主要为引力,说明其表面带正电;pH8和10时,作用力为斥力,表明铝氧八面体晶面带负电。可推断铝氧八面体晶面的零电点在pH6和8之间。pH4时,氮化硅探针与高岭石铝氧八面体晶面的引力(-0.30nN)比与硅氧四面体的斥力(+0.15nN)大,pH>5时,硅氧四面体斥力大于铝氧八面体晶面引力。氮化硅探针与硅氧四面体晶面的长程静电斥力作用范围比与铝氧八面体晶面的静电引力范围大10nm,这表明,在较远距离时,硅氧四面体斥力具有重要的影响,pH>5时超过铝氧八面体的引力。因此,若不考虑端面,综合铝氧八面体和硅氧四面体的作用力,pH4时高岭石带正电,pH>5时带负电。

将实验曲线和DLVO理论拟合可获得不同pH时硅氧四面体和铝氧八面体的表面电位和表面电荷密度(见图9)。由图可知铝氧八面体等电点在pH6和8之间,当pH从4增加至10时,表面电位从+50mV变化至-37mV;硅氧四面体零电点pH<4,在整个pH范围内表面电位为负值,当pH从4增加至8时,表面电位从-36mV变化至-67mV。这对分析高岭石特定表面动电性质具有重要意义。