液体表面波及其粘弹特性的力学共振吸收谱研究

The investigation of surface wave of fluid and its viscoelasticity could reveal the structure of interface and its evolution in complex fluids and become an important research field of soft matter. We glue a glass fiber with a diameter of 1 - 2 micrometers and tens micromters in length onto the cantilever of atomic force microscope and develop an atomic-force-microscope based mechanical resonant adsorption spectra. Then we attach the glass fiber to the surface of fluid and excite the bending motion of cantilever via an electromagnetic force with varying frequencies. We measure the mechanical dissipation spectrum of the cantilever,i.e., mechanical resonant adsorption spectrum. Experiments show that in mechanical resonant adsorption spectrum there appear some resonant absorption peaks corresponding to the harmonic vibration modes of liquid surface coupled to the glass fiber, which means that our developed atomic-force-microscope based mechanical resonant adsorption spectra can become a novel method to investigate the property of liquid surface, especially its viscoelasticity. After performing this project, we can hopefully establish a novel method to measure the viscoelasticity of liquid surface,such as surface tension. Furthermore through studying the mechanical resonant adsorption peaks of liquid surface we can investigate the mechanical properties of the assembly of surfactant molecules,protein and other biomolecules adsorbted onto the liquid surface, from which we can infer its conformation and the evolution with the concention and an exernal field such as temperature,electric field,etc.

液体表面波及其粘弹特性能够有效地揭示复杂液体界面的结构及其演化，是软物质研究的重要方向。我们应用本课题组研制成功的基于原子力显微镜的力学共振吸收谱仪，把安装在探针悬臂梁上直径为1-2微米的细长玻璃棒接触液体表面,利用不同频率的电磁外力激发探针悬臂梁的弯曲振动，测量探针的机械能损耗-频率谱，即：力学共振吸收谱。实验表明：与璃璃棒相耦合的液体表面波的谐波振动模式在探针的力学共振吸收谱上出现相应的共振吸收峰，因此基于原子力显微镜的力学共振吸收谱仪能发展成为研究液体表面波及其粘弹特性的全新实验方法。通过本项目的研究，我们不仅能获得具有原创性的测量液体表面粘弹特性（如：表面张力）的方法，而且通过研究不同液体表面（吸附了不同表面活性分子、蛋白质分子及其它生物大分子）的表面波谐波振动模的共振吸峰，得到吸附在液体表面的大分子在不同浓度、外场，如温度、电场下的粘弹特性，从而进一步研究大分子的构象及其变化。

液体表面波是在表面张力的作用下液体表面出现的一种波动形式，它是研究液体表面性质，特别是粘弹特性的重要方法；本项目应用本课题组提出和发展的力学共振吸收谱技术开展了液体表面波及其粘弹特性的研究，主要的工作与成果如下：.1）在原子力显微镜的基础上成功地研制出微力学共振吸收谱仪，它具有如下特点：a）频率范围宽（1Hz—100000Hz）；b）系统表观能量耗散（内耗）测量精度高（精度达0.0001）; c)用户界面友好，操作方便。.2）利用微力学共振吸收谱仪测量和研究了各种液体（例如：水、二甲基亚砜等等）的表面波共振吸收谱，表明力学共振吸收谱可以成为研究液体表面波的全新测量方法；.3）通过研究水的力学共振吸收谱，我们首次发现并提出水的表面张力系数必须用复数来描述；利用三种不同实验方法：表面波共振吸收谱方法、固-液接触弯月面力学测量法、光散射法测定了水在室温时的表面张力虚部，得到一致的测量值。这一发现很好地解决了几十年来未解决的问题：应用光散射法实验测量的液体表面能量耗散值远大于理论值。这也表明：复表面张力系数的提出和证实对我们重新理解液--气界面的动力学行为具有重要的意义。.4）液滴的表面振动也是液体表面波的一种表现行为，我们应用微力学共振吸收谱仪开展了微液滴振动的研究，我们发现：力学共振吸收谱能够成为研究液滴振动模式的全新研究方法；我们还初步证实：力学共振吸收谱可以成为固-液-气三相线的有力工具；.5）我们初步利用力学共振吸收入谱技术研究了细胞表面振动及其粘弹特性的研究，得到了一些有意义的结果；