顯微成像法研究氣溶膠液滴結(jié)晶動(dòng)力學(xué)

龐樹(shù)峰 張韞宏 鄭傳明 韓靜

(北京理工大學(xué)化學(xué)學(xué)院 北京100081)

氣溶膠是大氣中的重要組成部分(圖1)。氣溶膠不僅能直接影響人類的健康，還能增加大氣的化學(xué)反應(yīng)，降低能見(jiàn)度，增加降水、成云和成霧的可能性，影響大氣輻射收支，導(dǎo)致環(huán)境溫度發(fā)生變化。氣溶膠粒子能夠從兩方面影響天氣和氣候。一方面可以將太陽(yáng)光反射到太空中，從而冷卻大氣，并使大氣的能見(jiàn)度變差;另一方面卻能通過(guò)微粒散射、漫射和吸收一部分太陽(yáng)輻射，減少地面長(zhǎng)波輻射的外逸，使大氣升溫［1］。微粒的散射、漫射以及吸收等特性依賴于氣溶膠的大小以及濕度、物相等物理化學(xué)特性［2］，因此深入了解氣溶膠隨濕度變化發(fā)生的結(jié)晶過(guò)程，有助于理解氣溶膠的大小變化規(guī)律，更加深刻地理解大氣環(huán)境的變化。

圖1 氣溶膠的物理化學(xué)特性及其對(duì)環(huán)境的影響

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕菍W(xué)習(xí)如何獲取一些物質(zhì)的基本物理化學(xué)參數(shù)，比如反應(yīng)活化能、相對(duì)分子質(zhì)量以及反應(yīng)熱等?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多為傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，主要是為了讓學(xué)生深入理解和掌握物理化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，而在反映當(dāng)前物理化學(xué)的前沿發(fā)展方面有所欠缺。為此，我們突破了傳統(tǒng)的教學(xué)局限，在經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加一些科研性實(shí)驗(yàn)，突出專業(yè)性、實(shí)用性，增加趣味性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生深入理解理論與實(shí)踐的關(guān)系，提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，開(kāi)闊學(xué)生思路，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的心理體驗(yàn)，滿足學(xué)生的求知欲。

本實(shí)驗(yàn)以無(wú)機(jī)鹽氣溶膠［3］為研究對(duì)象，采用光學(xué)顯微鏡和高速攝像系統(tǒng)［4］聯(lián)用的技術(shù)，觀察各種氣溶膠液滴的風(fēng)化結(jié)晶率隨濕度變化的關(guān)系，得出氣溶膠液滴的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)學(xué)習(xí)掌握一種研究氣溶膠結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的方法。(2)了解顯微鏡和高速攝像儀的構(gòu)造和原理，掌握其調(diào)節(jié)和使用方法。(3)學(xué)會(huì)運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 儀器與試劑

儀器:氣溶膠發(fā)生器(北京亞都 YC-D204型超聲波加濕器)，樣品池(98mm×97mm×8mm塑料容器)，真空泵(中國(guó)鄭州長(zhǎng)城SHB-Ⅲ型)，三重蒸餾水(北京理工大學(xué))，質(zhì)量流量計(jì)(美國(guó)Alicat氣體質(zhì)量流量計(jì)和體積流量計(jì))，氮?dú)馄浚咚贁z像儀(MS55K，Mega Speed Corp)，溫濕度計(jì)(臺(tái)灣CENTER 313型溫濕度計(jì))。

3 實(shí)驗(yàn)步驟與方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 中的樣品池前邊與干氮?dú)饧皾竦獨(dú)庀噙B，這樣就可以通過(guò)改變干、濕氮?dú)獾牧髁空{(diào)節(jié)樣品池內(nèi)的濕度，并通過(guò)后面連接的濕度計(jì)讀出。顯微鏡的鏡頭對(duì)準(zhǔn)樣品，調(diào)焦至視野清晰，觀察樣品形貌。

3.1 氣溶膠結(jié)晶率的測(cè)定

(1)配置一定濃度的樣品溶液，通過(guò)氣溶膠發(fā)生器將溶液霧化成尺度為1～5μm的氣溶膠，將其附著在樣品池的ZnSe基底上，封好樣品池。

(2)將樣品池固定于顯微鏡載物臺(tái)，打開(kāi)光學(xué)顯微鏡，物鏡選為100×，目鏡為10×。調(diào)節(jié)顯微鏡焦距，移動(dòng)光學(xué)平臺(tái)選取合適位置，以確保清晰拍攝到液滴風(fēng)化的全過(guò)程。

(3)打開(kāi)氮?dú)馄?，調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)。先全部通濕氮?dú)?水蒸氣飽和的氮?dú)?，將樣品池內(nèi)濕度升到最高，保持穩(wěn)定30分鐘，這樣可以保證里面氣溶膠溶液完全是液態(tài)。觀察并記錄氣溶膠的狀態(tài)、形貌。

(4)更改干濕氮?dú)饬魉俦?，使干氮?dú)馑急壤粩嘣龃蟆悠烦貎?nèi)相對(duì)濕度每次大約下降10%，在每個(gè)相對(duì)濕度下停留足夠長(zhǎng)時(shí)間(30分鐘)，使液滴與周圍環(huán)境相對(duì)濕度達(dá)到平衡。階梯式降低相對(duì)濕度直至最后全部通入干氮?dú)?。用高速攝像儀拍攝多個(gè)液滴的變化。隨著相對(duì)濕度的降低會(huì)看到液滴不斷蒸發(fā)失水，直至某一個(gè)相對(duì)濕度突然變暗，形貌發(fā)生明顯變化，即發(fā)生了風(fēng)化結(jié)晶。繼續(xù)降低濕度，直至視野內(nèi)的液滴都風(fēng)化結(jié)晶為止。

(5)改變相對(duì)濕度，使樣品完全潮解至最初液體狀態(tài)，按上述步驟重復(fù)一次實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。

(6)記錄數(shù)據(jù)，給出濕度-時(shí)間關(guān)系曲線。根據(jù)氣溶膠形貌的變化，統(tǒng)計(jì)在不同濕度條件下的晶體數(shù)目，得出積分結(jié)晶率與相對(duì)濕度的變化關(guān)系。

3.2 氣溶膠單微液滴的結(jié)晶

(1)用注射器向ZnSe基底上注射尺度約100μm的液滴，封好樣品池。

(2)調(diào)整干濕氮?dú)獾谋壤?，使相?duì)濕度階梯式下降。用高速攝像儀(25幀/秒)拍攝單液滴的風(fēng)化結(jié)晶過(guò)程。

(3)重復(fù)一次實(shí)驗(yàn)。

(4)利用ImageJ軟件測(cè)量晶體在不同時(shí)刻下的表面積和相對(duì)值，根據(jù)公式

計(jì)算晶體在不同時(shí)刻的相對(duì)灰度。

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉氮?dú)馄?、質(zhì)量流量計(jì)、顯微成像系統(tǒng)和高速攝像儀。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)將實(shí)驗(yàn)記錄的濕度與時(shí)間的數(shù)據(jù)繪圖(圖3)。

圖3 相對(duì)濕度與時(shí)間的變化關(guān)系圖

從圖3可以直觀地觀察濕度的變化情況，這樣就可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，調(diào)整干、濕氮?dú)獾臍饬魉俾?，讓濕度發(fā)生連續(xù)或階梯式變化。

(2)用攝像儀拍攝的樣品池內(nèi)液滴形貌的圖片(圖4)。

圖4 液滴隨相對(duì)濕度變化而變化的形貌圖

從圖4可以看出，相對(duì)濕度為90%時(shí)，液滴中間很亮，邊緣較暗。隨著相對(duì)濕度緩慢降低，液滴中的水分子不斷減少，通常液滴會(huì)變小。在111分鐘時(shí)，相對(duì)濕度降到了46.7%，此時(shí)觀察到一個(gè)液滴突然明顯變暗(如圖4(b)中標(biāo)注)，而且此后顆粒大小不再隨濕度發(fā)生變化，說(shuō)明該液滴發(fā)生了結(jié)晶。繼續(xù)降低相對(duì)濕度，結(jié)晶的液滴數(shù)目逐漸增多，當(dāng)相對(duì)濕度降到21%時(shí)，可以看到大部分液滴都已經(jīng)結(jié)晶。將結(jié)晶的液滴數(shù)量統(tǒng)計(jì)出來(lái)，根據(jù)公式

計(jì)算出在不同時(shí)刻的積分結(jié)晶率，并給出時(shí)間-積分結(jié)晶率-相對(duì)濕度之間的關(guān)系(圖5)。

圖5 相對(duì)濕度和積分結(jié)晶率隨時(shí)間的變化關(guān)系圖

從圖5可以看出，液滴結(jié)晶的速率與相對(duì)濕度的變化有一定的關(guān)系，相對(duì)濕度變化較快時(shí)，結(jié)晶的液滴也較多(圖中灰色的矩形框標(biāo)注部分)。

(3)為了更詳細(xì)地了解單個(gè)液滴的結(jié)晶過(guò)程，本實(shí)驗(yàn)將光學(xué)顯微鏡換做高速攝像儀，用其拍攝在單液滴發(fā)生結(jié)晶的整個(gè)過(guò)程。圖6表示單液滴中開(kāi)始只有一小部分結(jié)晶，隨著時(shí)間的推移，結(jié)晶部分增大，同時(shí)單液滴的形貌發(fā)生變化，液滴尺度變小。

圖6 單液滴的風(fēng)化結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程

根據(jù)相對(duì)灰度的計(jì)算公式計(jì)算出不同時(shí)刻的晶體灰度，用其表示晶體厚度，則晶體體積可根據(jù)公式

體積=面積×厚度

進(jìn)行計(jì)算，繪制晶體體積-時(shí)間的相關(guān)曲線，進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，得到晶體在快速增長(zhǎng)時(shí)的函數(shù)關(guān)系式，即晶體的生長(zhǎng)速率方程。

由圖7結(jié)果得到的函數(shù)關(guān)系式為y=-286.8+241.6x，相關(guān)系數(shù)R2為98.5%。這就是氣溶膠結(jié)晶過(guò)程的成長(zhǎng)速率方程。

圖7 晶體體積隨時(shí)間的變化曲線

5 結(jié)論

氣溶膠是影響大氣環(huán)境的重要因素，對(duì)于氣溶膠的物理化學(xué)性能的研究，有助于了解顆粒物對(duì)空氣的污染規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了科研成果向教學(xué)的轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的深度與廣度。實(shí)驗(yàn)方案可以用于多種氣溶膠液滴的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，能使學(xué)生的科研意識(shí)和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力得到提高。另外，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中問(wèn)題的分析，可使學(xué)生把理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，有助于提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力和實(shí)踐能力。

［1］史平.科技信息，2011，29:850

［2］王京麗，謝莊，張遠(yuǎn)航，等.氣象學(xué)報(bào)，2004，62(1):104

［3］李曉紅，董金玲，盧培棟，等.中國(guó)科學(xué)B輯，2007，37(3):295

［4］王楓，趙利軍，張韞宏.科學(xué)通報(bào)，2008，53(11):1257