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超纯水实验证实:影响材料表面性能的不是水

来源:材料科技在线|

发表时间:2018-08-31

点击:11453

自然界中不存在真正干净的表面。与正常空气接触足以将任何材料涂上一层薄层分子污垢。这种“分子污垢”可以极大地改变材料的性质,但分子本身很难研究。然而,有人推测这种“污垢”只是一层水分子。


图为:冰柱(左)和融化后的液滴(右)(图片来源:TU Wien)


一些研究人员提出,这种“污垢”仅仅是一层水分子。为了验证这个想法,TU Wien公司开发了一种新的研究方法:在真空室中制造超纯冰,然后将其融化,研究人员用此方法制造出世界上最干净的水滴,然后将其应用于二氧化钛表面


使用这种技术,科学家已经证明,改变二氧化钛表面特征的“污垢”是两种有机酸的单分子层:乙酸(使醋变酸)和其近亲甲酸。这是令人惊讶的,因为在空气中仅发现这些酸仅有微量。这项新研究方法及成果发表在最近出版的《科学》杂志上。

难以解释的结构

二氧化钛(TiO2)是一种矿物质,技术应用广泛,在包括表面自动清洁等方面发挥着重要作用。例如,一层薄薄的二氧化钛能防止镜子在潮湿的空气中起雾。使用非常强大的显微镜,研究人员观察在二氧化钛表面接触到水时有一个未知的分子附着在其上。

有人提出,这些分子是一种新型的冰,或者可能是由空气中的二氧化碳形成的苏打水。正确的答案更有趣:这些结构实际上是两种有机酸,乙酸和甲酸。这些酸是植物生长的副产物。空气中只有微量的酸,每十亿个空气分子中只有几个酸性分子。虽然许多其他分子在空气中更为常见,但只有这两种酸能粘附在金属氧化物表面并改变其性状。


世界上最干净的超纯水


“为了避免杂质,像这样的实验必须在真空中进行,”Ulrike Diebold说。“因此,我们不得不制造一个从未与空气接触的水滴,然后把水滴放在二氧化钛表面上,二氧化钛表面经过严格清洁,达到原子级。”

相关研究

研究人员想出了一种巧妙的新调查方法。他们的解决办法是在真空管中制造一个金属“冷手指”。这个金属手指的尖端被冷却到大约-140°C,然后放入超纯水蒸气。水在冰冷的手指尖结冰,产生一个小的,超干净的冰柱。然后将二氧化钛样品置于手指下方。当冰柱融化时,超纯净的水会落到“手指”上。


有机酸才是罪魁祸首


二氧化钛表面用超高功率显微镜观察,但科学家并未在超纯水处理后的样品中找到未知分子的线索,包括通过使用二氧化碳制造的苏打水处理,也未发现污染层。这意味着这些污染分子一定是水或二氧化碳以外的其他物质。

只有当样品与空气接触这种神奇的分子才会出现。有趣的是,这一相同的分子在全世界不同的地方都被观察到——在维也纳城市和美国偏远地区都是如此。光谱和电子显微镜分析表明这一过程有甲酸和乙酸的混合物参与。化学分析结果显示,这些简单的有机酸通常来自植物放出的挥发性化合物异戊二烯分解后的产物。这也是空气中酸的主要来源。


这一结果为我们展示了我们在做这类实验时需要多么仔细,甚至空气中含量极低的、常常被认为微不足道的物质,有时也是决定性的。


原文来自azom,原文题目为Researchers Investigate Effect of “Dirt” on Surface Properties of Material,由材料科技在线团队汇总整理。

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