【正文】 摘 要研究了NaCl溶液在不同初始濃度、不同溫度和不同基底時結(jié)晶的表面形貌。利用原子力顯微鏡從介觀尺度上對不同影響因素下NaCl溶液結(jié)晶樣品進行了觀察，利用圖像處理軟件Imagepro Plus處理掃描圖像，分析了這幾種因素對NaCl溶液結(jié)晶過程的影響，并對其成形機制和分形維數(shù)進行了探討。研究結(jié)果表明，初始濃度越低，結(jié)晶分形花樣越傾向于生成由細小的晶體顆粒組成的樹枝狀結(jié)構(gòu)。隨著初始濃度的增大，結(jié)晶分形花樣聚集程度越來越高，生成的枝叉狀結(jié)構(gòu)越來越大，并且結(jié)晶中有許多立方體結(jié)構(gòu)。比較結(jié)晶花樣的分形維數(shù)，發(fā)現(xiàn)較低初始濃度結(jié)晶的分形花樣的分形維數(shù)與Koch曲線類似，較高初始濃度結(jié)晶的分形花樣的分形維數(shù)符合擴散受限聚集（Diffusionlimited aggregation，DLA）模型的結(jié)果。隨著結(jié)晶初始濃度的增大，分形維數(shù)逐漸增大。溫度影響了結(jié)晶的速率，結(jié)晶速率大，則結(jié)晶中心增多，晶體長得細小，且往往長成針狀、樹枝狀。反之，結(jié)晶速率小，晶體長得粗大。表面平整度影響著結(jié)晶的表面形貌。而且，表面的平整度會影響溶液的流動，從而影響NaCl晶粒的聚集行為，對分形花樣的形成起到一定的作用。關(guān)鍵詞：NaCl溶液；結(jié)晶；分形維數(shù)；擴散受限聚集機制AbstractThe surface topography of sodium chloride solutions crystallization was studied in different initial concentration, different temperature and different basement. The surface topography of sodium chloride solutions crystallization samples were observed from meso scale under different affecting factors by atomic force microscope, and using the Imagepro Plus to processing the scan images. Analyzing the influence of the several factors to the process of sodium chloride solutions crystallization, the forming mechanism and the fractal dimension were discussed. The results of the study show that the lower of the initial concentration of the sodium chloride solutions, the more tend to generate dendritic structure fractal pattern consisting of small crystal particles. Along with the increase of the initial concentration of the sodium chloride solutions, the aggregation degree of the fractal pattern of crystallization was increased and forming bigger dendritic structure. What more, there is much more cubic structure in the crystallization. Comparing the fractal dimension of the crystallization pattern, and it is founded that the fractal pattern dimension of the lower initial concentration crystallization was similar to Koch curve, and the fractal pattern dimension of the higher initial concentration crystallization was consistent with the diffusionlimited aggregation model. As the increase of the initial concentration of the crystallization, the fractal dimension increases gradually. The temperature influences the crystallization rate. The higher the crystallization rate, the more the crystallization center and the more tendency of the crystallization to form small acicular structure and dendritic structure. Conversely, the lower the crystallization rate, the bigger of the crystallization. The surface roughness of the basement affects the surface topography of the crystallization. Furthermore, the surface roughness affects the flow of the solution, which affects the behavior of sodium chloride solutions, so it plays a role in the formation of the fractal pattern.Key words：sodium chloride solutions。 crystallization。 fractal dimensions。 diffusionlimited aggregation 目 錄第1章 概述 1 樹枝狀NaCl概述 1 結(jié)晶學(xué)與分形幾何學(xué)的結(jié)合 1 原子力顯微鏡在晶體生長機理研究中的應(yīng)用 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及意義 4第2章 結(jié)晶學(xué)與分形幾何學(xué)理論 7 固體物理知識 7 結(jié)晶學(xué)（Crystallography） 11 分形和分數(shù)維 16第3章 原子力顯微鏡（AFM）原理簡介 23 AFM的結(jié)構(gòu)及各部分功能簡介 23 AFM的基本原理 25 AFM的工作模式 26第4章 實驗部分 28 試劑和儀器 28 實驗方法 29第5章 結(jié)果與討論 31 不同初始濃度結(jié)晶的形貌對比 31 不同溫度結(jié)晶的形貌對比 38 不同基底結(jié)晶的形貌對比 39第6章 結(jié)論 41參考文獻 42致謝 44附錄 45第1章 概述NaCl是重要的基本化工原料之一，也是人類生活中不可缺少的化學(xué)品，是應(yīng)用最廣泛、最重要的一種無機鹽產(chǎn)品。在現(xiàn)代，鹽的消耗量是衡量一個國家工業(yè)化程度的重要標志之一。英語中稱之為Common salt——“普通鹽”,可見它在人們生活中的地位。 樹枝狀NaCl概述星形樹枝狀鹽不僅具有精制鹽的所有特點，而且還具備了優(yōu)于精制鹽的一些特性，因此是取代目前食用鹽的最佳產(chǎn)品。星形樹枝狀鹽具有優(yōu)越的特性：第一，有高的吸濕能力。它的吸持水量高于相等重量的立方體氯化鈉吸持水量的兩倍還多。第二，體積密度低。比相同重量的再制鹽約多50%。第三，與其它很細的物質(zhì)有很好的混合特性。第四，明顯不結(jié)塊的特性，甚至在惡劣的條件下也是如此。第五，溶解速度快，比一般的立方體氯化鈉快2~3倍。以上這些特性提供了樹枝鹽的多種多樣的用途。如：香腸外皮的處理、食品調(diào)味、咸肉和火腿的干燥處理、處理羊皮和小牛皮等。同時，還廣泛用于石油鉆探、水泥固井及建筑水泥中的早強劑。影響樹枝狀鹽形成的因素很多，如過飽和度、添加物種類、添加劑質(zhì)量、雜質(zhì)的存在、蒸發(fā)溫度的水平、溶液的pH值以及攪拌的形式和強度等等[1]。因此，對NaCl結(jié)晶過程及NaCl晶體結(jié)構(gòu)的研究具有重要的實踐意義。 結(jié)晶學(xué)與分形幾何學(xué)的結(jié)合傳統(tǒng)的晶體形貌研究的是平衡態(tài)或近平衡態(tài)下的結(jié)晶形態(tài)，到19世紀末，對平衡態(tài)或近平衡態(tài)下的晶體形貌及其對稱性研究已經(jīng)相當成熟，并且在歐氏幾何學(xué)框架下，整個幾何晶體學(xué)理論體系已完全建立。然而100多年后，迅速發(fā)展起來的一門分支學(xué)科準晶體學(xué)，給傳統(tǒng)的經(jīng)典對稱理論帶來猛烈沖擊。同期，我國著名結(jié)晶礦物學(xué)家彭志忠教授率先提出將準晶態(tài)研究與分形幾何學(xué)結(jié)合起來，并提出了準晶體的微粒分數(shù)維模型。此后，分形幾何學(xué)與結(jié)晶學(xué)之間的結(jié)合迅速發(fā)展，為遠離平衡態(tài)下的結(jié)晶形貌及集合體形貌的研究提供了強有力的數(shù)學(xué)工具[2]。分形(Fracta1)指的是一類極其破碎而復(fù)雜、但有其自相似性或自仿射性的體系，是20世紀70年代在法國人Mandelbrot創(chuàng)造性工作的基礎(chǔ)上建立起來的一門新學(xué)科。分形理論在應(yīng)用到晶體形貌研究之前已經(jīng)在其他領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其受到數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)乃至社會科學(xué)等各方面的廣泛關(guān)注。分形現(xiàn)象可發(fā)生在諸如膠體聚集、電沉積、介電擊穿、濺射凝聚、晶體生長、水溶液結(jié)晶、非晶態(tài)膜的晶化及粘性指進等遠離平衡態(tài)的過程中。這些分形過程大都可歸屬于不同邊界條件下的拉普拉斯型界面生長或由擴散置限聚集模型（Diffusionlimited aggregation，DLA）及集團集團聚集（凝聚）模型（Clustercluster aggregation， CCA）描述的顆粒聚集現(xiàn)象。有時也會出現(xiàn)電介質(zhì)擊穿模型（Dielectric breakdown model，DBM）。在花樣形成的過程中，各向異性、隨機性和驅(qū)動力都有可能對其起決定作用。其中水溶液結(jié)晶因其實驗裝置簡單、操作方便而成為被研究較多的實驗系統(tǒng)之一。 原子力顯微鏡在晶體生長機理研究中的應(yīng)用 原子力顯微鏡的發(fā)展概述 多年來科研工作者一直在探索，試圖找到一種方法，可以在原子或分子水平上研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在微觀領(lǐng)域?qū)ξ镔|(zhì)進行觀察和研究中，人們發(fā)明了各種顯微鏡。但是光學(xué)顯微鏡由于受到光的波長的限制而無法達到很高的分辨率，x射線衍射技術(shù)則要求觀察樣品必須是晶體，透射電鏡則需要對觀察樣品進行超薄切片，掃描電鏡在制備樣品時需要在不導(dǎo)電樣品表面覆蓋一層導(dǎo)電層，這樣勢必會丟失部分微結(jié)構(gòu)信息，所有這些要求使人們的觀察受到了限制，因此人們開始研制更加先進的顯微鏡。1982年國際商業(yè)機器公司蘇黎世實驗室的葛賓尼(Gerd Binnig)博士和海洛雷爾(Heinrich Rohrer)博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺新型的表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡(簡稱STM)[3]。它的出現(xiàn)使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)，為科學(xué)家提供了一種前所未有的直接觀察單原子、單分子的手段，從而從根本上改變了人類對微觀(納米)世界的認識水平。STM比其他分析技術(shù)所具有的獨特優(yōu)點，使其在問世短短幾年后，就得到了迅速發(fā)展。盡管掃描隧道顯微鏡有著其他儀器無法比擬的諸多優(yōu)點，但儀器本身的工作方式存在一定的局限性，其主要局限之一是所觀察的樣品必須具有一定導(dǎo)電性。而大多數(shù)生物材料不是導(dǎo)體，必須在樣品表面覆蓋導(dǎo)電層才能成像。由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖像對真實表面的分辯率。賓尼等人在STM的基礎(chǔ)上，于1986年研制成功了原子力顯微鏡(AFM)。AFM使人們首次能夠真正實時地觀察到單個原子在物體表面的排列方式和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。 原子力顯微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域 AFM不受STM等要求樣品表面能夠?qū)щ姷南拗?，可對?dǎo)體進行探測，對于不具有導(dǎo)電性的組織、生物材料和有機材料等絕緣體，AFM同樣可得到高分辨率的表面形貌圖像，從而使它更具有適應(yīng)性，更具有廣闊的應(yīng)用空間。AFM可以在真空、超高真空、氣體、溶液、電化學(xué)環(huán)境、常溫和低溫等環(huán)境下工作，可供研究時選擇適當?shù)沫h(huán)境，其基底可以是云母、硅、高取向熱解石墨、玻璃等。不僅能直接觀察物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)，而且還能對原子和分子進行操縱。事實證明原子力顯微鏡已成功的應(yīng)用于物理、化學(xué)、金屬、半導(dǎo)體、微電子、納米材料、生物、生命科學(xué)等眾多科學(xué)領(lǐng)域中。人們利用它已經(jīng)對金屬和硅等半導(dǎo)體材料表面進行了廣泛研究。結(jié)果表明，不僅可以觀察到這些材料表面的原子或電子結(jié)構(gòu)，還可以觀察到表面原子臺階等結(jié)構(gòu)缺陷，以及吸附質(zhì)在表面的生長、擴散等表面動態(tài)過程。這些問題的研究，其它實驗手段是難以獲得的[4]。 原子力顯微鏡是進行晶體生長機理研究的有效工具晶體生長理論在發(fā)展過程中形成了很多模型，可是這些模型大多是理論分析的間接研究，它們和實際情況究竟有無出入，出入有多大？這是人們最為關(guān)心的。因而人們希望用顯微手段直接觀察到晶面生長的過程。用光學(xué)顯微鏡、相襯干涉顯微鏡、激光全息干涉術(shù)等對晶體晶面的生長進行直接觀測，也取得了一些成果。但是，由于這些顯微技術(shù)分辨率太低，或者是對實驗條件要求過高，出現(xiàn)了很多限制因素，不容易對生長界面進行分子原子級別的直接觀測。原子力顯微鏡則為我們提供了一個原子級觀測研究晶體生長界面過程的全新有效工具。利用它的高分辨率和可以在溶液和大氣環(huán)境下工作的能力，為我們精確地實時觀察生長界面的原子級分辨圖像、了解界面生長過程和機理創(chuàng)造了難得的機遇。1. 雜質(zhì)對生長臺階的阻止作用雜質(zhì)對生長臺階的影響早已有一些理論模型，比如于1958年提出的雜質(zhì)濃度與二維臨界核半徑關(guān)系的C－V模型。該模型提出很長時間以來，缺乏直接的觀測驗證，在原子力顯微鏡出現(xiàn)以后，1999年日本學(xué)者Tosbitak Nakada等利用原子力顯微鏡對有機大分子晶體溶菌酶上的雜質(zhì)效應(yīng)進行了研究，