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1、东北石油大学本科生毕业设计（论文）摘 要研究了NaCl溶液在不同初始浓度、不同温度和不同基底时结晶的表面形貌。利用原子力显微镜从介观尺度上对不同影响因素下NaCl溶液结晶样品进行了观察，利用图像处理软件Image-pro Plus处理扫描图像，分析了这几种因素对NaCl溶液结晶过程的影响，并对其成形机制和分形维数进行了探讨。研究结果表明，初始浓度越低，结晶分形花样越倾向于生成由细小的晶体颗粒组成的树枝状结构。随着初始浓度的增大，结晶分形花样聚集程度越来越高，生成的枝叉状结构越来越大，并且结晶中有许多立方体结构。比较结晶花样的分形维数，发现较低初始浓度结晶的分形花样的分形维数与Koch曲线类似，
2、较高初始浓度结晶的分形花样的分形维数符合扩散受限聚集（Diffusion-limited aggregation，DLA）模型的结果。随着结晶初始浓度的增大，分形维数逐渐增大。温度影响了结晶的速率，结晶速率大，则结晶中心增多，晶体长得细小，且往往长成针状、树枝状。反之，结晶速率小，晶体长得粗大。表面平整度影响着结晶的表面形貌。而且，表面的平整度会影响溶液的流动，从而影响NaCl晶粒的聚集行为，对分形花样的形成起到一定的作用。关键词：NaCl溶液；结晶；分形维数；扩散受限聚集机制AbstractThe surface topography of sodium chloride solutions
3、 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 Image-p
4、ro 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 c
5、hloride 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 bi
6、gger 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 f
7、ractal pattern dimension of the higher initial concentration crystallization was consistent with the diffusion-limited aggregation model. As the increase of the initial concentration of the crystallization, the fractal dimension increases gradually. The temperature influences the crystallization rat
8、e. 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
9、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; fracta
10、l dimensions; diffusion-limited aggregation 目 录第1章 概述11.1 树枝状NaCl概述11.2 结晶学与分形几何学的结合11.3 原子力显微镜在晶体生长机理研究中的应用21.4 国内外研究现状及意义4第2章 结晶学与分形几何学理论72.1 固体物理知识72.2 结晶学（Crystallography）112.3 分形和分数维16第3章 原子力显微镜（AFM）原理简介233.1 AFM的结构及各部分功能简介233.2 AFM的基本原理253.3 AFM的工作模式26第4章 实验部分284.1 试剂和仪器284.2 实验方法29第5章 结果与讨论31
11、5.1 不同初始浓度结晶的形貌对比315.2 不同温度结晶的形貌对比385.3 不同基底结晶的形貌对比39第6章 结论41参考文献42致谢44附录45第1章 概述NaCl是重要的基本化工原料之一，也是人类生活中不可缺少的化学品，是应用最广泛、最重要的一种无机盐产品。在现代，盐的消耗量是衡量一个国家工业化程度的重要标志之一。英语中称之为Common salt“普通盐”,可见它在人们生活中的地位。1.1 树枝状NaCl概述星形树枝状盐不仅具有精制盐的所有特点，而且还具备了优于精制盐的一些特性，因此是取代目前食用盐的最佳产品。星形树枝状盐具有优越的特性：第一，有高的吸湿能力。它的吸持水量高于相等重量
12、的立方体氯化钠吸持水量的两倍还多。第二，体积密度低。比相同重量的再制盐约多50%。第三，与其它很细的物质有很好的混合特性。第四，明显不结块的特性，甚至在恶劣的条件下也是如此。第五，溶解速度快，比一般的立方体氯化钠快23倍。以上这些特性提供了树枝盐的多种多样的用途。如：香肠外皮的处理、食品调味、咸肉和火腿的干燥处理、处理羊皮和小牛皮等。同时，还广泛用于石油钻探、水泥固井及建筑水泥中的早强剂。影响树枝状盐形成的因素很多，如过饱和度、添加物种类、添加剂质量、杂质的存在、蒸发温度的水平、溶液的pH值以及搅拌的形式和强度等等1。因此，对NaCl结晶过程及NaCl晶体结构的研究具有重要的实践意义。1.2
13、结晶学与分形几何学的结合传统的晶体形貌研究的是平衡态或近平衡态下的结晶形态，到19世纪末，对平衡态或近平衡态下的晶体形貌及其对称性研究已经相当成熟，并且在欧氏几何学框架下，整个几何晶体学理论体系已完全建立。然而100多年后，迅速发展起来的一门分支学科准晶体学，给传统的经典对称理论带来猛烈冲击。同期，我国著名结晶矿物学家彭志忠教授率先提出将准晶态研究与分形几何学结合起来，并提出了准晶体的微粒分数维模型。此后，分形几何学与结晶学之间的结合迅速发展，为远离平衡态下的结晶形貌及集合体形貌的研究提供了强有力的数学工具2。分形(Fracta1)指的是一类极其破碎而复杂、但有其自相似性或自仿射性的体系，是2
14、0世纪70年代在法国人Mandelbrot创造性工作的基础上建立起来的一门新学科。分形理论在应用到晶体形貌研究之前已经在其他领域得到了广泛的应用，尤其受到数学、物理、化学乃至社会科学等各方面的广泛关注。分形现象可发生在诸如胶体聚集、电沉积、介电击穿、溅射凝聚、晶体生长、水溶液结晶、非晶态膜的晶化及粘性指进等远离平衡态的过程中。这些分形过程大都可归属于不同边界条件下的拉普拉斯型界面生长或由扩散置限聚集模型（Diffusion-limited aggregation，DLA）及集团-集团聚集（凝聚）模型（Cluster-cluster aggregation， CCA）描述的颗粒聚集现象。有时也会
15、出现电介质击穿模型（Dielectric breakdown model，DBM）。在花样形成的过程中，各向异性、随机性和驱动力都有可能对其起决定作用。其中水溶液结晶因其实验装置简单、操作方便而成为被研究较多的实验系统之一。1.3 原子力显微镜在晶体生长机理研究中的应用1.3.1 原子力显微镜的发展概述 多年来科研工作者一直在探索，试图找到一种方法，可以在原子或分子水平上研究物质的结构和性质。在微观领域对物质进行观察和研究中，人们发明了各种显微镜。但是光学显微镜由于受到光的波长的限制而无法达到很高的分辨率，x射线衍射技术则要求观察样品必须是晶体，透射电镜则需要对观察样品进行超薄切片，扫描电镜在
16、制备样品时需要在不导电样品表面覆盖一层导电层，这样势必会丢失部分微结构信息，所有这些要求使人们的观察受到了限制，因此人们开始研制更加先进的显微镜。1982年国际商业机器公司苏黎世实验室的葛宾尼(Gerd Binnig)博士和海洛雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜(简称STM)3。它的出现使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和表面电子行为有关的物理、化学性质，为科学家提供了一种前所未有的直接观察单原子、单分子的手段，从而从根本上改变了人类对微观(纳米)世界的认识水平。STM比其他分析技术所具有的独特优点，使其在问世短短几年后，就得到了迅速发展。尽管扫描隧道显微镜有着其他仪器无法比拟的诸多优点，但仪器本身的工作方式存在一定
