一种定量化离子液体与固体界面间单分子作用力的方法技术

本发明专利技术为一种定量化离子液体与固体界面间单分子作用力的方法。该方法包含以下步骤：将二氧化硅微球与离子液体混合，放入恒温摇床，经过离心洗涤烘干后取出，经计算得到二氧化硅微球单位面积吸附的离子液体数。然后利用原子力显微镜AFM得到二氧化硅胶体探针与离子液体之间的力曲线，结合前面计算出的单位面积离子液体数量，可得到单分子力。应用本方法得到的力学参数，可以应用在计算机模拟中。运用计算机模拟方法研究离子液体与表面，能够提供定性地描述，给出材料结构与性能的定量结果，从而得到最优的实验方案。能够预测离子液体与固体表面如何能达到润滑性能最好或电学性能最好，避免重复实验造成的资源浪费，快速高效地达到目的。

【技术实现步骤摘要】
一种定量化离子液体与固体界面间单分子作用力的方法
本专利技术属于定量测定分子间作用力领域，涉及一种定量化离子液体与固体界面间单分子作用力的方法。
技术介绍
离子液体是一种可以在室温下以液态形式稳定存在的盐，具有化学、热稳定性高，电化学性能好，可设计性强，绿色可回收等优点，基于这些优点，离子液体在环保、储能和润滑等领域已有大量应用。在环保领域，因为离子液体对于CO2的气体选择性和溶解度较高，所以离子液体可以在固体表面形成一层离子液体支撑膜来吸收CO2，从而减轻工业生产过程中排放的CO2带来的污染；在储能领域，离子液体可以作为电解质的添加剂，一方面提高电池的电导率和循环性能，另一方面可以提高电池的安全性和稳定性；在润滑领域，离子液体作为固体材料表面润滑剂的新兴“潜力股”，与传统润滑剂相比，离子液体的高稳定性和高导热性保证其耐高压，容易散热。并且离子液体中的阴、阳离子与带有相反电荷的固体表面形成相互吸引的作用，可以帮助离子液体在高载荷条件下不被挤出摩擦界面造成润滑失效。离子液体润滑剂也可用于极端操作条件下的应用，因此在空间技术、国防和化工等重要领域和高新产业有潜在的应用价值。在这些应用中，离子液体不免要与各种不同性质的固体材料表面接触，研究相互接触的固液二者间的相互作用力对于整体的性能表现至关重要。研究界面主要有三种方法，理论分析，实验测定及模拟计算。计算机模拟既不是实验方法也不是理论方法，它是在实验的基础上，通过一些基本的物理理论，构建起来的一套模型和算法，可以计算分子的结构和描述分子的行为。与大型物理分析仪器相比，计算机模拟价格便宜，结果可信度高。对于获取分子间相互作用程度的实验数据，或者想获得表面改性后的某些性质，使用计算机模拟得到的数据就更加的方便可靠且准确。总的来说，计算机模拟具有以下几个优势：(1)计算机模拟是对具体问题的物理模型做某种必要的近似，所以更适合研究接近实际的复杂问题。(2)计算机模拟可以给出某些实验上无法或难以测量的量(3)计算机模拟更直观，可以给出材料结构和性能的定量结果。大数据时代是当今时代发展的主要趋势，利用计算机模拟的方法进行科研显得愈发重要。在其应用过程中，函数模型好比是计算机模拟的发动机，函数模型中涉及的力场参数则是必不可缺的零件。本专利所述的方法所得到的不同的固体界面与不同的离子液体间的的单分子力，经过转化后可以直接作为计算机模拟中所需要的力场参数。对于离子液体这类可设计性极强的阴阳离子化合物，可组成的离子液体类型种类繁多，按照传统的实验室人工测试，会极大地浪费人力物力，而利用计算机模拟的方法就可以快速准确的描述不同材料之间的相互作用力，从而得到最优的组合方案。例如可以预测特定材料间怎样的离子液体设计可以达到吸收气体速率最快、电化学储存能量最高以及润滑性能最优的状态，从而避免资源浪费，快速精准的达到目的。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种定量化离子液体与固体界面间单分子作用力的方法。本专利技术提供了一种定量化离子液体与固体界面间单分子作用力的方法。包括以下步骤：将二氧化硅微球与离子液体混合，放入恒温摇床，经过离心洗涤烘干后取出，经计算得到二氧化硅微球单位面积吸附的离子液体数。然后利用原子力显微镜(AFM)得到二氧化硅胶体探针与离子液体之间的力曲线，结合前面计算出的单位面积离子液体数量，可得到单分子力。具体步骤如下：1)将二氧化硅微球分别加入的两种离子液体与乙醇混合溶液。2)将所述的混合物放入恒温摇床，设定温度、转速，时间。3)将所述混合物经过离心，洗涤和烘干后取出，测量总质量，应用CHN元素分析仪分析，测出各元素的含量比，计算单位面积吸附的离子液体数NUM。进一步的，在步骤3中，所述单位面积离子液体数NUM的计算包括以下步骤：计算公式为：其中，N％为粉末中氮元素含量占比，NIL％为离子液体中氮元素含量占比，BET为氧化硅比表面积，MIL为离子液体分子量，NA为阿伏伽德罗常数。4)将二氧化硅微球粘在胶体探针上，得到二氧化硅胶体探针。5)将离子液体溶液滴在基底表面，烘干后得到离子液体样品基底。6)利用AFM测量二氧化硅胶体探针与离子液体样品基底间的力-距离曲线。得到粘附力Fa与压痕深度δ，计算出接触面积A。7)计算单分子力F0。进一步的，在步骤7中，所述单分子里的计算包括以下步骤：计算公式为其中，δ为压痕深度，R为探针小球半径，NUM为单位面积离子液体个数，Fa为粘附力。进一步的，二氧化硅微球直径均为10～20μm。进一步的，混合溶液中离子液体为[BMIM][BF4](BB)或[BMIM][PF6](BP)，浓度0.1～2.0mg/mL。进一步的，恒温摇床所选温度25～35度，转速180rpm左右，时间5min～6h.具体的，应用测出各元素的含量比计算单位面积吸附的离子液体数的过程：用固体粉末总体质量与N元素占比算出N元素的质量，可以得到固体颗粒中离子液体的质量，然后可以得到每克固体中有多少离子液体，再结合二氧化硅微球比表面积BET，得到二氧化硅微球单位面积吸附的离子液体质量。最终可得到单位面积吸附的离子液体分子的数量NUM。具体的，制作二氧化硅胶体探针所选二氧化硅微球直径，所用方法，首先制备胶水，将所制备的胶水涂抹在盖玻片上，操作仪器使所选探针与胶水接触。然后将已经沾上胶水的探针与二氧化硅微球接触，得到胶体探针。具体的，制作离子液体样品基底，方法是将离子液体溶液滴在固体表面，真空烘干后即得到离子液体基底。具体的，测量力曲线，按照原子力显微镜的操作流程即可得到。具体的，计算接触面积A。A＝π·δ·R(R：小球半径)。(F′a＝单位面积的粘附力),得到单分子力本专利技术还提供固体表面特征，离子液体，外场条件等分别对离子液体与固体表面单分子力的影响。与现有的用计算机模拟的单分子力相比，本专利技术从实际的力曲线中得到的单分子力(粗粒化的离子团簇与固体间的作用力)更加准确，且操作简单，无需复杂设备，条件温和，模板材料易得，过程可控。实验表明，将本专利技术得到的单分子力加和与实际的力进行对比，偏差更小。附图说明图1为AFM二氧化硅胶体探针的SEM图。图2为实施例1(sio2与离子液体BB)，实施例2(sio2与离子液体BP)，实施例3(sio2与离子液体HN)的AFM力曲线的接近部分的对比图(箭头标记处为各自的压痕深度δ)图3为实施例1(sio2与离子液体BB)，实施例2(sio2与离子液体BP)，实施例3(sio2与离子液体HN)的AFM力曲线的回退部分的对比图(箭头标注处为各自的粘附力Fa)具体实施方式为了进一步了解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点而不是对本专利技术专利要求的限制。本专利技术所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定量化离子液体与固体界面间单分子作用力的方法，其特征在于，该方法为：将二氧化硅颗粒与离子液体混合，放入恒温摇床摇晃使其充分吸附，将样品离心洗涤烘干后取出，经计算得到二氧化硅微球单位面积吸附的离子液体分子的数量；然后利用原子力显微镜得到二氧化硅胶体探针与离子液体之间的力曲线，结合前面计算出的单位面积吸附的离子液体的量，可得到单分子力；固体表面单位面积吸附的离子液体分子的数量。/n

【技术特征摘要】
1.一种定量化离子液体与固体界面间单分子作用力的方法，其特征在于，该方法为：将二氧化硅颗粒与离子液体混合，放入恒温摇床摇晃使其充分吸附，将样品离心洗涤烘干后取出，经计算得到二氧化硅微球单位面积吸附的离子液体分子的数量；然后利用原子力显微镜得到二氧化硅胶体探针与离子液体之间的力曲线，结合前面计算出的单位面积吸附的离子液体的量，可得到单分子力；固体表面单位面积吸附的离子液体分子的数量。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)将二氧化硅微球分别加入两种用乙醇稀释的离子液体溶液中形成混合物；
2)将所述的混合物放入恒温摇床，设定温度、转速，时间；
3)将所述混合物经过离心，洗涤和烘干后取出。测量其总质量，并应用CHN元素分析仪进行测试，测出C、H、N三种元素的百分比，推得离子液体的百分比，从而得到二氧化硅微球单位面积吸附的离子液体分子的数量；
4)将二氧化硅微球粘在AFM的探针尖端，得到二氧化硅胶体探针；
5)将离子液体溶液滴在基底表面，然后真空烘干，就得到离子液体样品基底；
6)利用AFM测量二氧化硅胶体探针与离子液体样品基底间的力-距离曲线。得到粘附力Fa与压痕深度δ，并计算接触面积A；
7)得到单分子力F0。
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【专利技术属性】
技术研发人员：邹依含，吉韵霏，安蓉，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32