顯微成像法研究氣溶膠液滴結晶動力學

龐樹峰 張韞宏 鄭傳明 韓靜

(北京理工大學化學學院 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反應，降低能見度，增加降水、成云和成霧的可能性，影響大氣輻射收支，導致環境溫度發生變化。氣溶膠粒子能夠從兩方面影響天氣和氣候。一方面可以將太陽光反射到太空中，從而冷卻大氣，并使大氣的能見度變差;另一方面卻能通過微粒散射、漫射和吸收一部分太陽輻射，減少地面長波輻射的外逸，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、物相等物理化學特性［2］，因此深入了解氣溶膠隨濕度變化發生的結晶過程，有助于理解氣溶膠的大小變化規律，更加深刻地理解大氣環境的變化。

圖1 氣溶膠的物理化學特性及其對環境的影響

物理化學實驗是專業基礎實驗課程，實驗目的主要是學習如何獲取一些物質的基本物理化學參數，比如反應活化能、相對分子質量以及反應熱等。現有實驗項目多為傳統的經典實驗，主要是為了讓學生深入理解和掌握物理化學基礎知識，而在反映當前物理化學的前沿發展方面有所欠缺。為此，我們突破了傳統的教學局限，在經典實驗的基礎上，增加一些科研性實驗，突出專業性、實用性，增加趣味性。通過實驗，讓學生深入理解理論與實踐的關系，提高分析問題、解決問題的能力，開闊學生思路，強化學生對科學探究的心理體驗，滿足學生的求知欲。

本實驗以無機鹽氣溶膠［3］為研究對象，采用光學顯微鏡和高速攝像系統［4］聯用的技術，觀察各種氣溶膠液滴的風化結晶率隨濕度變化的關系，得出氣溶膠液滴的結晶動力學方程。

1 實驗目的

(1)學習掌握一種研究氣溶膠結晶動力學的方法。(2)了解顯微鏡和高速攝像儀的構造和原理，掌握其調節和使用方法。(3)學會運用數理統計的方法對所得數據進行處理。

2 儀器與試劑

儀器:氣溶膠發生器(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(中國鄭州長城SHB-Ⅲ型)，三重蒸餾水(北京理工大學)，質量流量計(美國Alicat氣體質量流量計和體積流量計)，氮氣瓶，高速攝像儀(MS55K，Mega Speed Corp)，溫濕度計(臺灣CENTER 313型溫濕度計)。

3 實驗步驟與方法

實驗裝置如圖2所示。

圖2 實驗裝置示意圖

圖2 中的樣品池前邊與干氮氣及濕氮氣相連，這樣就可以通過改變干、濕氮氣的流量調節樣品池內的濕度，并通過后面連接的濕度計讀出。顯微鏡的鏡頭對準樣品，調焦至視野清晰，觀察樣品形貌。

3.1 氣溶膠結晶率的測定

(1)配置一定濃度的樣品溶液，通過氣溶膠發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，打開光學顯微鏡，物鏡選為100×，目鏡為10×。調節顯微鏡焦距，移動光學平臺選取合適位置，以確保清晰拍攝到液滴風化的全過程。

(3)打開氮氣瓶，調節質量流量計。先全部通濕氮氣(水蒸氣飽和的氮氣)，將樣品池內濕度升到最高，保持穩定30分鐘，這樣可以保證里面氣溶膠溶液完全是液態。觀察并記錄氣溶膠的狀態、形貌。

(4)更改干濕氮氣流速比，使干氮氣所占比例不斷增大。樣品池內相對濕度每次大約下降10%，在每個相對濕度下停留足夠長時間(30分鐘)，使液滴與周圍環境相對濕度達到平衡。階梯式降低相對濕度直至最后全部通入干氮氣。用高速攝像儀拍攝多個液滴的變化。隨著相對濕度的降低會看到液滴不斷蒸發失水，直至某一個相對濕度突然變暗，形貌發生明顯變化，即發生了風化結晶。繼續降低濕度，直至視野內的液滴都風化結晶為止。

(5)改變相對濕度，使樣品完全潮解至最初液體狀態，按上述步驟重復一次實驗，以檢驗該實驗的重復性。

(6)記錄數據，給出濕度-時間關系曲線。根據氣溶膠形貌的變化，統計在不同濕度條件下的晶體數目，得出積分結晶率與相對濕度的變化關系。

3.2 氣溶膠單微液滴的結晶

(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)調整干濕氮氣的比例，使相對濕度階梯式下降。用高速攝像儀(25幀/秒)拍攝單液滴的風化結晶過程。

(3)重復一次實驗。

(4)利用ImageJ軟件測量晶體在不同時刻下的表面積和相對值，根據公式

計算晶體在不同時刻的相對灰度。

(5)實驗結束，關閉氮氣瓶、質量流量計、顯微成像系統和高速攝像儀。

4 實驗結果與分析

(1)將實驗記錄的濕度與時間的數據繪圖(圖3)。

圖3 相對濕度與時間的變化關系圖

從圖3可以直觀地觀察濕度的變化情況，這樣就可以根據實驗要求，調整干、濕氮氣的氣流速率，讓濕度發生連續或階梯式變化。

(2)用攝像儀拍攝的樣品池內液滴形貌的圖片(圖4)。

圖4 液滴隨相對濕度變化而變化的形貌圖

從圖4可以看出，相對濕度為90%時，液滴中間很亮，邊緣較暗。隨著相對濕度緩慢降低，液滴中的水分子不斷減少，通常液滴會變小。在111分鐘時，相對濕度降到了46.7%，此時觀察到一個液滴突然明顯變暗(如圖4(b)中標注)，而且此后顆粒大小不再隨濕度發生變化，說明該液滴發生了結晶。繼續降低相對濕度，結晶的液滴數目逐漸增多，當相對濕度降到21%時，可以看到大部分液滴都已經結晶。將結晶的液滴數量統計出來，根據公式

計算出在不同時刻的積分結晶率，并給出時間-積分結晶率-相對濕度之間的關系(圖5)。

圖5 相對濕度和積分結晶率隨時間的變化關系圖

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

(3)為了更詳細地了解單個液滴的結晶過程，本實驗將光學顯微鏡換做高速攝像儀，用其拍攝在單液滴發生結晶的整個過程。圖6表示單液滴中開始只有一小部分結晶，隨著時間的推移，結晶部分增大，同時單液滴的形貌發生變化，液滴尺度變小。

圖6 單液滴的風化結晶生長過程

根據相對灰度的計算公式計算出不同時刻的晶體灰度，用其表示晶體厚度，則晶體體積可根據公式

體積=面積×厚度

進行計算，繪制晶體體積-時間的相關曲線，進行數學擬合，得到晶體在快速增長時的函數關系式，即晶體的生長速率方程。

由圖7結果得到的函數關系式為y=-286.8+241.6x，相關系數R2為98.5%。這就是氣溶膠結晶過程的成長速率方程。

圖7 晶體體積隨時間的變化曲線

5 結論

氣溶膠是影響大氣環境的重要因素，對于氣溶膠的物理化學性能的研究，有助于了解顆粒物對空氣的污染規律。本實驗實現了科研成果向教學的轉化，加強了實踐教學內容的深度與廣度。實驗方案可以用于多種氣溶膠液滴的結晶動力學研究。通過該實驗的實施，能使學生的科研意識和綜合運用知識的能力得到提高。另外，通過對實驗過程中問題的分析，可使學生把理論知識和實驗結合起來，有助于提高學生對知識的應用能力和實踐能力。

［1］史平.科技信息，2011，29:850

［2］王京麗，謝莊，張遠航，等.氣象學報，2004，62(1):104

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

［4］王楓，趙利軍，張韞宏.科學通報，2008，53(11):1257