分子和表面间相互作用在工业工程中的重要性

在复杂流体中，化学试剂、固体颗粒、气泡、液滴和固体表面间的相互作用在许多工程过程中起着至关重要的作用，如泡沫浮选、乳液和泡沫形成、吸附、污垢、防污现象等。这些分子、纳米和微观尺度上的相互作用显著地影响并决定了相关工程过程的宏观性能和效率。因此，理解其中的分子间和表面间相互作用具有基础和实际意义，不仅能改善生产技术，而且为新材料的开发提供有价值的研究方向。

在过去的几十年中，各种先进的纳米力学技术得到了发展，如表面力仪(SFA)、原子力显微镜(AFM)、光镊(OT)、磁镊(MT)。SFA和AFM是在各种工程过程和材料系统中探测分子间力和表面力最常使用的力测量技术。SFA可以测量随两表面间绝对距离（分辨率0.1 nm）变化的两个曲面之间的力F（灵敏度10 nN）。

AFM被广泛用于真空、气体和液体介质中多种材料的高分辨率成像和力测量，并开发了不同探针应用于多种体系，包括纳米级（或表面功能化）探针、胶体探针、气泡或液滴探针。然而，AFM力测量中获得的间距通常是不确定的，尤其是对于柔软的材料和高度变形的表面。

与AFM相比，SFA测量具有较高的F/R分辨率或单位面积相互作用能。两个相对的云母表面可以被不同的有机和无机涂层（如二氧化硅、金、氧化物、表面活性剂、聚合物和蛋白质）以不对称或对称的构型进行修饰，周围的介质可以是气体、蒸气、水溶液或有机溶剂。SFA测量的表面或薄膜通常是透明或半透明的，且表面粗糙度较低。除了法向力，SFA还可以用于量化两个表面之间的横向力，以研究纳米级的各种摩擦、流变和润滑现象。

OT使用梯度激光来捕获和操纵介电粒子，而MT可以通过梯度磁场操纵顺磁珠。OT和MT的力灵敏度相对高，常被应用于生物体系。OT技术的局限性在于：由于在测量过程中激光功率较强，会导致样品发热，可能会损坏样品。MT技术可以同时控制多个磁珠，但主要局限在于磁场的迟滞，以及时空分辨率受视频数据采集的限制。

1.矿物浮选

在矿物工程中，泡沫浮选是选择性地收集理想和有价值的矿物颗粒的关键工艺。将原矿矿石粉碎并研磨释放所需的成分，然后将其与含有调理剂（如收集剂、抑制剂）的水进一步混合，接着将气泡引入混合物中以捕获疏水性颗粒，疏水性颗粒一起向上流动并形成泡沫，而亲水性颗粒则保留在本体混合物中。其中，气泡-矿物质的相互作用起着决定性作用，可能会受到颗粒表面吸附的界面活性试剂和水相条件（如流体力学条件、离子类型和浓度）的影响。因此，全面地了解水介质中固体矿物颗粒、气泡和界面活性剂之间的相互作用，对于精确调节浮选工艺中相关的表面间相互作用以及开发先进的界面活性剂以提高分离效率具有重要意义。

2. 石油开采

石油生产中需要解决的挑战包括乳液的稳定/去稳定、污垢问题、油/水分离和尾矿水处理。沥青质是石油流体中最重的馏分，倾向于形成纳米聚集体，通常具有界面活性，并且对水-油、油-固界面有很强的吸附作用，会导致形成不良的稳定乳状体，对生产设施造成腐蚀和污垢积累，甚至造成管道堵塞。沥青质在水-油界面的吸附作用可以改变界面张力、流变性、弹性和黏度。因此，了解沥青质的界面性质及其对乳液稳定和去稳定机理的影响在重油工业中具有重要的实际意义。

3. 废水处理

大量的工业废水包含的各种污染物需要在排放之前清除，以达到水质标准并最大限度地减少对环境和生物的威胁。有机污染物是可能威胁生物和生态系统健康的主要污染物之一。常见的有机污染物包括杀虫剂、药物、染料、增塑剂和阻燃剂。吸附技术已被证明是一种从废水中去除有机污染物的简便有效的方法。正渗透(FO)过滤是另一种在废水处理中显示出优势的技术，具有有效、低污垢污染倾向和成本低廉的优势。FO处理是指通过使用由渗透压梯度驱动的半透膜将水与溶解的污染物分离的过程。

4. 储能材料

随着对电动车需求的快速增长，对清洁和可持续的能量存储系统（如电池和电化学电容器）的设计和制造提出了很高的要求。发展具有长寿命、高能量和功率密度等改进功能的储能设备至关重要。在储能系统中，锂离子电池由于具有高能量密度而显示出广阔的前景，而插层型硅因为具有高理论比容量和低放电电压则成为最有希望的负极材料之一。但是，硅在充电/放电循环中会发生较大的体积变化，这可能导致负极损坏并缩短电池循环寿命。结合使用黏合剂和硅颗粒在硅负极中构建自愈导电网络，在解决这一具有挑战性问题的同时，也为提高电池的循环稳定性提供了一种可能的解决方案。因此，在设计高性能和长寿命的硅阳极时，必须了解和研究导电网络的自愈机理以及黏合剂与硅颗粒之间的附着力。