分子和表面間相互作用在工業工程中的重要性

在復雜流體中，化學試劑、固體顆粒、氣泡、液滴和固體表面間的相互作用在許多工程過程中起著至關重要的作用，如泡沫浮選、乳液和泡沫形成、吸附、污垢、防污現象等。這些分子、納米和微觀尺度上的相互作用顯著地影響并決定了相關工程過程的宏觀性能和效率。因此，理解其中的分子間和表面間相互作用具有基礎和實際意義，不僅能改善生產技術，而且為新材料的開發提供有價值的研究方向。

在過去的幾十年中，各種先進的納米力學技術得到了發展，如表面力儀(SFA)、原子力顯微鏡(AFM)、光鑷(OT)、磁鑷(MT)。SFA和AFM是在各種工程過程和材料系統中探測分子間力和表面力最常使用的力測量技術。SFA可以測量隨兩表面間絕對距離（分辨率0.1 nm）變化的兩個曲面之間的力F（靈敏度10 nN）。

AFM被廣泛用于真空、氣體和液體介質中多種材料的高分辨率成像和力測量，并開發了不同探針應用于多種體系，包括納米級（或表面功能化）探針、膠體探針、氣泡或液滴探針。然而，AFM力測量中獲得的間距通常是不確定的，尤其是對于柔軟的材料和高度變形的表面。

與AFM相比，SFA測量具有較高的F/R分辨率或單位面積相互作用能。兩個相對的云母表面可以被不同的有機和無機涂層（如二氧化硅、金、氧化物、表面活性劑、聚合物和蛋白質）以不對稱或對稱的構型進行修飾，周圍的介質可以是氣體、蒸氣、水溶液或有機溶劑。SFA測量的表面或薄膜通常是透明或半透明的，且表面粗糙度較低。除了法向力，SFA還可以用于量化兩個表面之間的橫向力，以研究納米級的各種摩擦、流變和潤滑現象。

OT使用梯度激光來捕獲和操縱介電粒子，而MT可以通過梯度磁場操縱順磁珠。OT和MT的力靈敏度相對高，常被應用于生物體系。OT技術的局限性在于：由于在測量過程中激光功率較強，會導致樣品發熱，可能會損壞樣品。MT技術可以同時控制多個磁珠，但主要局限在于磁場的遲滯，以及時空分辨率受視頻數據采集的限制。

1.礦物浮選

在礦物工程中，泡沫浮選是選擇性地收集理想和有價值的礦物顆粒的關鍵工藝。將原礦礦石粉碎并研磨釋放所需的成分，然后將其與含有調理劑（如收集劑、抑制劑）的水進一步混合，接著將氣泡引入混合物中以捕獲疏水性顆粒，疏水性顆粒一起向上流動并形成泡沫，而親水性顆粒則保留在本體混合物中。其中，氣泡-礦物質的相互作用起著決定性作用，可能會受到顆粒表面吸附的界面活性試劑和水相條件（如流體力學條件、離子類型和濃度）的影響。因此，全面地了解水介質中固體礦物顆粒、氣泡和界面活性劑之間的相互作用，對于精確調節浮選工藝中相關的表面間相互作用以及開發先進的界面活性劑以提高分離效率具有重要意義。

2. 石油開采

石油生產中需要解決的挑戰包括乳液的穩定/去穩定、污垢問題、油/水分離和尾礦水處理。瀝青質是石油流體中最重的餾分，傾向于形成納米聚集體，通常具有界面活性，并且對水-油、油-固界面有很強的吸附作用，會導致形成不良的穩定乳狀體，對生產設施造成腐蝕和污垢積累，甚至造成管道堵塞。瀝青質在水-油界面的吸附作用可以改變界面張力、流變性、彈性和黏度。因此，了解瀝青質的界面性質及其對乳液穩定和去穩定機理的影響在重油工業中具有重要的實際意義。

3. 廢水處理

大量的工業廢水包含的各種污染物需要在排放之前清除，以達到水質標準并最大限度地減少對環境和生物的威脅。有機污染物是可能威脅生物和生態系統健康的主要污染物之一。常見的有機污染物包括殺蟲劑、藥物、染料、增塑劑和阻燃劑。吸附技術已被證明是一種從廢水中去除有機污染物的簡便有效的方法。正滲透(FO)過濾是另一種在廢水處理中顯示出優勢的技術，具有有效、低污垢污染傾向和成本低廉的優勢。FO處理是指通過使用由滲透壓梯度驅動的半透膜將水與溶解的污染物分離的過程。

4. 儲能材料

隨著對電動車需求的快速增長，對清潔和可持續的能量存儲系統（如電池和電化學電容器）的設計和制造提出了很高的要求。發展具有長壽命、高能量和功率密度等改進功能的儲能設備至關重要。在儲能系統中，鋰離子電池由于具有高能量密度而顯示出廣闊的前景，而插層型硅因為具有高理論比容量和低放電電壓則成為最有希望的負極材料之一。但是，硅在充電/放電循環中會發生較大的體積變化，這可能導致負極損壞并縮短電池循環壽命。結合使用黏合劑和硅顆粒在硅負極中構建自愈導電網絡，在解決這一具有挑戰性問題的同時，也為提高電池的循環穩定性提供了一種可能的解決方案。因此，在設計高性能和長壽命的硅陽極時，必須了解和研究導電網絡的自愈機理以及黏合劑與硅顆粒之間的附著力。