受二嵌段共聚物 (DBC) 丰富的相分离行为启发,二嵌段共聚物 (DBC) 和无机前体的协同自组装 (共组装) 可以实现具有所需尺寸的多种功能纳米结构。在采用聚苯乙烯嵌段聚氧化乙烯和 ZnO 的 DBC 辅助溶胶-凝胶化学方法中,通过狭缝模头涂层形成混合薄膜。打印纯 DBC 薄膜作为对照。进行原位掠入射小角度 X 射线散射测量,以研究薄膜形成过程中的自组装和共组装过程。结合互补的非原位表征,区分出几种不同的方式以描述从最初的溶剂分散到最终固化的薄膜的形态转变。组装途径的比较表明,建立纯 DBC 薄膜的关键步骤是球形胶束向圆柱形域的聚结。由于存在相选择性前体,溶液中圆柱形聚集体的形成对于混合膜的结构发展至关重要。墨水中预先存在的圆柱体阻碍了混合膜在随后的干燥过程中的域生长。前体降低了有序度,防止了 PEO 嵌段的结晶,并在混合膜中引入了额外的长度尺度。
区室化是生命的标志,也是当前构建人工细胞的核心目标。[1] 人们研究了不同类型的区室,包括脂质体、蛋白质体、聚合物体和凝聚层,以深入了解区室化对活细胞中常见的生物分子和生化反应网络的作用。[2] 然而,这些区室无法模拟活细胞的所有功能特征,包括高内部生物分子浓度、选择性膜和与其他细胞相互作用的能力。凝聚层液滴是一种类似细胞的区室,由RNA、肽或小分子在多种非共价相互作用的驱动下通过液-液相分离(LLPS)自发形成。[3] 凝聚层的物理性质取决于其组成部分的结构-功能关系。一般来说,它们含有高浓度的肽或RNA,模拟活细胞内的物理化学环境。[4] 然而,由于缺乏膜,通常会导致快速聚结,这对它们的稳定性构成了挑战。此外,没有屏障意味着难以选择性地吸收营养物质并去除废物同时保留有用的产品。[3,5] 脂质基膜结合区室(其中脂质体是最著名的例子)也常被用作原始细胞模型进行研究,但它们内部的溶质浓度通常低于活细胞中的生物分子浓度,或者当高渗透压没有得到仔细平衡时,它们有破裂的危险。[6]
区室化是生命的标志,也是当前构建人工细胞的核心目标。[1] 人们研究了不同类型的区室,包括脂质体、蛋白质体、聚合物体和凝聚层,以深入了解区室化对活细胞中常见的生物分子和生化反应网络的作用。[2] 然而,这些区室无法模拟活细胞的所有功能特征,包括高内部生物分子浓度、选择性膜和与其他细胞相互作用的能力。凝聚层液滴是一种类似细胞的区室,由RNA、肽或小分子在多种非共价相互作用的驱动下通过液-液相分离(LLPS)自发形成。[3] 凝聚层的物理性质取决于其组成部分的结构-功能关系。一般来说,它们含有高浓度的肽或RNA,模拟活细胞内的物理化学环境。[4] 然而,由于缺乏膜,通常会导致快速聚结,这对它们的稳定性构成了挑战。此外,没有屏障意味着难以选择性地吸收营养物质并去除废物同时保留有用的产品。[3,5] 脂质基膜结合区室(其中脂质体是最著名的例子)也常被用作原始细胞模型进行研究,但它们内部的溶质浓度通常低于活细胞中的生物分子浓度,或者当高渗透压没有得到仔细平衡时,它们有破裂的危险。[6]
我们研究了在近乎正常的 40 keV Ar + 溅射和同时进行的 Fe 斜向共沉积下硅表面的纳米图案化。离子束入射角保持在 15°,在没有金属掺入的情况下不会产生任何图案。通过原子力显微镜(其形态和电模式)、卢瑟福背散射光谱、X 射线光电子能谱、扫描俄歇以及透射和扫描电子显微镜进行形态和成分分析。最初,纳米点结构随机出现,随着离子通量的增加,它们逐渐沿与 Fe 通量垂直的方向排列。随着通量的增加,它们聚结在一起,形成波纹图案。随着与金属源的距离减小(即金属含量增加),图案动态和特性分别变得更快和增强。对于最高的金属通量,波纹会变得相当大(高达 18 μ m)且更直,缺陷很少,图案波长接近 500 nm,同时保持表面粗糙度接近 15 nm。此外,对于固定离子通量,图案顺序会随着金属通量而改善。相反,图案顺序随离子通量增加的增强率并不依赖于金属通量。我们的实验观察与 Bradley 模型的预测和假设一致 [RM Bradley,Phys。Rev. B 87,205408(2013)] 几项成分和形态研究表明,波纹图案也是成分图案,其中波纹峰具有更高的铁硅化物含量,这与模型一致。同样,波纹结构沿着垂直于 Fe 通量的方向发展,并且图案波长随着金属通量的减少而增加,其行为与模型预测在性质上一致。
fecocu三元纳米颗粒在Fecocu / c金属碳纳米复合物的碳基质中分布和稳定,已使用由控制的IR热解的前体进行了合成,该前体的聚合物 /乙酰乙酸铁酯 /钴酸铁和铜乙酸乙酸的型号由关节溶液构造的型号均可替换为“乙酰乙酸盐 /钴乙酸酯 /碳酸酯”。已经研究了合成温度对纳米姿势的结构,组成和电磁特性的影响。表明,由于Fe3γ与COCU固体溶液的纳米颗粒的相互作用,发生了Fecocu三元纳米颗粒的形成。合成温度的升高会导致金属纳米颗粒的大小增加,这是由于基质重建而导致的,它们的团聚和聚结。此外,具有可变成分的三元合金纳米颗粒可能会根据合成温度和金属的含量比形成。拉曼光谱表明,纳米复合材料的碳基质的结晶度随着合成温度而增加。已经研究了3-13 GHz的纳米复合材料的相对介电常数和渗透率的频率响应。已经表明,金属的含量比变化显着增加了介电和磁损耗。以前的损失是由纳米复合碳基质形成复杂的纳米结构引起的,而后者则来自纳米颗粒的大小的增加以及自然铁磁共振频率向低频区域的变化。反射损失已经使用标准方法从有关相对介电常数和渗透率的频率响应的实验数据中计算出来。已经表明,电磁波的频率范围和吸收(从–20到–52 dB)可以通过改变前体中金属的含量比来控制。与在相似条件下合成的FECO/C纳米复合材料相比,实验获得的纳米复合材料提供了更好的结果。
可控的方式。[6] 然而,自上而下的技术不可扩展,且大多数技术耗时耗力,从而阻碍了它们的潜在应用。特别是手性微结构可以通过调制飞秒激光焦点的单次曝光快速制造。[7] 其几何形状严格由可实现的结构化焦点决定,并且得到的表面质量相当差。相反,自下而上的方法提供了一种经济高效且可扩展的替代方法,通过由不同材料(如共聚物、[8] 肽、[9] 纳米粒子 [10] 和 DNA 四面体 [11] 制成的亚基的顺序自组装来创建分层纳米结构。不幸的是,由于自发自组装过程的固有特点,对几何形状、空间排列、规律性和螺旋性的精确控制非常困难。自上而下和自下而上相结合的混合制造技术的最新进展有望克服上述一些限制。[12] 特别是,通过介导弹性毛细管相互作用的毛细管力驱动自组装引起了人们的极大兴趣,因为它具有简单性和可扩展性的独特优势,[13] 并且在一定程度上已用于混合制造策略。基于光刻的技术已经实现中尺度刷毛的制造,并且通过利用弹性毛细管聚结已经得到高度有序的螺旋簇。[14] 然而,由于圆形原纤维具有旋转对称性,因此单个簇所实现的手性是随机的。虽然可以通过将横截面渲染为矩形来获得特定的手性重排,但手性的可调性仍然有限。利用电子束光刻技术实现10纳米级的纳米柱,然后通过毛细管力诱导的纳米内聚力进行自组装。[15] 利用多光束干涉光刻技术,结合溶液蒸发过程中的毛细管力,制备并组装大面积图案化微柱。[16] 我们之前的研究表明,可以利用毛细管力来驱动直柱生成具有高度可控性的分级微结构。[17] 然而,由于毛细管力在微尺度上很难利用,它们都无法实现可控的手性结构。因此,开发一种简便、可控、高效的功能手性结构制备方法是十分有必要的。
管理概念:首先,控制和封闭的水吸收和凝结成纳米级毛孔;其次,滴结合。为了研究两者,陶瓷介孔薄膜是有趣的模型系统,其制造[4]和功能性[5]在过去25年中已深入研究。[6]最近对此类膜或分离层的水操作进行了深入研究。[7]但是,与平面和结构化表面相比,在中孔中控制润湿性以及水吸收,凝结和落水的可能性较少得多,并且所研究的情况较低。近年来,关于表面润湿性的主要兴趣是超级恐惧症,超级恐惧症或非染色表面的发展。[8]所使用的方法通常受到天然发生的表面的启发,例如莲花叶,投手植物或雾虫,并且始终基于在微观和纳米尺度上与相应疏水表面化学的表面结构的组合,[8b,9]或与疏水性润滑剂相应地包含在一个粒子中。[10]一个挑战是在切换响应函数组后,润湿性的变化足够大。[9b]通过更改表面上的滴度和接触线的接触角,这对于诸如降落合并之类的应用至关重要,例如,探索可润湿性的这种变化可用于从湿度发电的背景下使用。[15]液滴的轻驱动运动也提供了控制基于液滴的过程。[11]常见应用之一是自算基底物,该基材收集凝结的液滴并将其从结构化底物中删除。[12]在大多数情况下,宏观[13]和微结构[14]表面用于增强自我清洁过程。在自我清洁或雾化过程中,在结构化表面上的滴相结合是速率控制过程之一。[16]使用轻驱动的滴水结合,将允许在收集水或基本研究(如未受干扰的(光诱导的)滴水结合)的过程中使用无接触式的落聚结。可以通过利用可切换极性的官能团或设计微级或纳米级结构来改变刺激性基团在刺激影响时改变。[17]经常使用的刺激是轻的,因为它可以从外部和逐渐调节。一个非常有趣的分子,对光的反应是螺旋形。正如Klajn等人所审查的那样,Spiropyran是许多
泡沫在两个不混溶的阶段之间具有细胞网络结构。泡沫的结构动力学吸引了科学和工业应用中的研究人员。尤其是,由于物理和机械性能的组合,固体金属泡沫令人兴奋,例如与低特异性重量或高抗压强度结合使用,结合了合适的能量吸收特性,因此具有高度和机械性能。他们的网络结构使它们适合于汽车和航空航天行业的轻质结构或崩溃的能量吸收[1]。复合金属泡沫适用于锂离子电池[2]。流体泡沫或细胞流体由均匀分散的气泡和连续的液体组成。流体泡沫内部的气泡通常不稳定,并且随着时间的流逝而发展以最大程度地减少其表面能量[3]。在物理学中,泡沫是一种最小化表面能量的材料的模型系统:肥皂泡沫,乳液,磁石材和晶界[3],因为它们最终发展为统计平衡的固定状态[4]。在数学中,泡沫是一个模型系统,用于研究与最小周长相关的等速度问题,并且在一个区域中具有固定数量的气泡[3]。二维随机细胞网络(2D泡沫)无处不在,例如肥皂泡沫,破碎模式和生物表皮[4]。初始瞬态后,纤维破裂引发了气泡的动态重排,那里的气泡迅速融合并慢慢发展到新的准平衡状态。清洁泡沫最初不稳定的泡沫随着时间的流逝而发展,通过减少其总表面积,随着气泡的平均大小随时间的变化而通过气泡之间的破裂(聚结)破裂或通过气体的不同交换而增长(凝聚)[5]。在玻璃,凝胶和泡沫等均衡系统中缓慢的动态和老化影响是一个丰富而有趣的话题,但仍然知之甚少[6]。诸如泡沫之类的细胞模式在自然界中广泛出现,例如生物组织中的细胞,多晶中的晶粒,胶体材料中的谷物聚集体以及一品脱啤酒的气泡[7,8]。物理学家在理论上和实验上广泛研究了泡沫的集体静态和动力学[7-15]。泡沫不仅在工程上,而且在软物质物理学上都引起了很多关注[7]。
本卷涵盖了用于水处理和净化的技术。熟悉该领域的人会立即将其视为固液分离的论文。然而,该主题要广泛得多,因为所讨论的技术不仅限于仅依赖物理方法处理和净化废水的污染控制硬件。本书试图尽可能广泛地介绍那些适用于水(例如饮用水)和废水(即工业和市政)来源的技术。所讨论的方法和技术是物理、化学和热技术的结合。本书共有十二章。第一章介绍了术语和概念,以及需要水处理实践的原因。本章还通过为所讨论的主题提供组织结构,为本书的平衡奠定了基础。第二章涵盖了过滤理论和实践的 A-B-C,这是本书几章中讨论的基本单元操作之一。第 3 章开始讨论废水的化学性质,并重点介绍了使用化学添加剂协助悬浮固体的物理分离过程。第 4 章至第 7 章介绍了特定技术的过滤实践。这三章涵盖了广泛的硬件选项,适用于市政和工业两方面。第 8 章介绍了沉淀、澄清浮选和聚结的主题,并让我们重新讨论一些对实现高质量水很重要的化学问题。第 9 章介绍了用于饮用水净化的膜分离技术。第 10 章介绍了两种非常重要的水净化技术,它们不仅应用于饮用水供应和饮料行业,还应用于地下水修复应用。这些技术是离子交换和碳吸附。第 11 章介绍了化学和非化学水消毒技术,这些技术对于提供高质量的饮用水至关重要。最后一章重点介绍了废水处理的固体废物 - 污泥。本章不仅介绍了污泥脱水的物理化学和热方法,还探讨了如何处理这些废物及其对水处理厂运营总成本的影响。污泥与水一样,可以进行调节和消毒,从而将其从需要处置的昂贵废物转变为可以进入二级市场的有用副产品。特别强调的是污染防治技术,这些技术不仅比传统的废物处理方法更环保,而且更具成本效益。我试图将自己在处理水处理项目方面的一些理念融入本书。因此,每一章都试图从第一性原理的角度来涵盖各个主题领域,然后探索案例研究。
液滴撞击动力学一直是液滴研究的重点和热点,深入挖掘液滴撞击动力学机理有利于自上而下指导和优化材料设计。随着高速成像技术的发展和创新[13],液滴撞击的瞬态流动可以在微观时间尺度上被清晰地记录下来。单个液滴在不同表面的撞击得到了更广泛的研究。Richard等人认为液滴撞击光滑超疏水表面的接触时间与撞击速度无关,而与液滴半径的3/2次方成正比。[14]对于具有圆对称扩散和反冲的液滴撞击,存在一个接触时间的理论极限( / / 2.2 0 3 t R τ ρ σ = ≥ ∗,[15]其中,ρ是液体的密度,R 0是液滴半径,σ是其表面张力,t是固液接触时间)。为了突破这一极限,科学家通过设计和修改超疏水材料的表面结构,强化和精确控制单个液滴的反弹行为,如减少4倍接触时间的煎饼反弹[16]和7300 r min −1 的旋转反弹[17]。虽然这些研究已经被广泛应用于解决喷墨打印[18]、微流体[19]和喷雾[20]的问题,但较少受到关注的多液滴模型在自然界、日常生活和工程中更为常见和适用(例如,冻雨对电网的灾难性影响)。多液滴模型可分为连续液滴[21]、液滴列车[22]、同时液滴[23]和液滴喷雾[24]等。越接近真实情况,越复杂,研究难度越大。[25]作为该领域的先驱,Fujimoto等人[26]和Schwarzmann等人[27]在多液滴模型中[28]进行了系统研究。采用闪光照相法和数值模拟相结合的方法,研究了液滴直径和撞击速度对液滴撞击固体的影响。[26,27] Sanjay等人用撞击油滴从超疏水表面提起静止的油滴,观察到了随着韦伯数(ρσ=02WeDv,其中D0为液滴直径,v为撞击速度)和质心偏移而产生的六种结果,其中四种结果不是聚结而是反弹。[28] Damak等人实验研究了液滴连续撞击超疏水表面的最大膨胀直径和回缩速率,并建立了通用模型来描述它们。[29]由于多体问题的复杂性和相互作用,大多数学者主要使用数值模拟
