拉曼光谱仪探究超声波对水分子团簇结构的影响

拉曼光谱仪探究超声波对水拉曼光谱仪探究超声波对水分子团簇结构的影响分子团簇结构的影响科学研究的一般工作流程科学研究的一般工作流程 检索相关的研究检索相关的研究 分析现有的研究分析现有的研究 发现问题发现问题 提出假说提出假说 制订试验方案制订试验方案 定义试验步骤定义试验步骤 试验试验 数据汇总数据汇总 数据可视化数据可视化 数据验证数据验证 调整试验调整试验 重新校验假说重新校验假说 写作研究论文写作研究论文 发表研究发表研究 论文论文 发现问题发现问题 试验试验 数据分析数据分析 发现发现实验前期可行性的论证实验前期可行性的论证发展现状的调查（发展现状的调查（SCI数据库检）数据库检）使用使用SCI SCI 调查项目发展现状调查项目发展现状#21 3#21 3 Ultrasonic Graphs of the water molecules#20 455#20 455 Raman Spectroscopy of Water clusters#19 0#19 0 Raman Spectroscopy of Water clusters（Chinese）#18 137#18 137 Raman Spectroscopy of Water clusters#14 5,546#14 5,546 Raman spectra of water#5 30,020#5 30,020 Water clustersSCI 数据库检索分析报告数据库检索分析报告21 21 数量数量3 3篇篇 超声波图中的水分子超声波图中的水分子20 20 数量数量455455篇篇 拉曼光谱研究水分子团簇拉曼光谱研究水分子团簇19 19 数量数量0 0 拉曼篇光谱研究水分子团簇（中国）拉曼篇光谱研究水分子团簇（中国）18 18 数量数量137137篇篇 拉曼光谱研究水分子团簇拉曼光谱研究水分子团簇14 14 数量数量5,5465,546篇篇 水的拉曼光谱水的拉曼光谱5 5 数量数量3030，020020篇篇 水分子团簇水分子团簇拉曼光谱仪拉曼光谱仪薛晨阳老师在使用薛晨阳老师在使用拉曼光谱仪拉曼光谱仪国际最先进国际最先进雷尼绍雷尼绍激光拉曼拉曼光谱仪激光拉曼拉曼光谱仪型号型号InVia实验的出发点实验的出发点它们的水分子团簇有什么区别它们的水分子团簇有什么区别？实验进展实验进展 实验已于实验已于3 3月月1010日在电子测试重点实验展开日在电子测试重点实验展开 现已得到：现已得到：室温下的室温下的 小分子团水、中分子团水、大分子团水小分子团水、中分子团水、大分子团水 超纯水超纯水 经过超声波处理后的超纯水经过超声波处理后的超纯水 V/cm-1 昆仑山矿泉水（小分子团水）昆仑山矿泉水（小分子团水）Intenty自来水（大分子团水）自来水（大分子团水）冰露冰露 （中分子团水）（中分子团水）室温下未经处理的超纯水室温下未经处理的超纯水 电阻率电阻率18.25Mcm 超声波处理后超声波处理后 处理时间处理时间10min从实验中得到的结论从实验中得到的结论 从横坐标看，优质天然小分子团水的特征峰从横坐标看，优质天然小分子团水的特征峰3300-3300-3400cm-13400cm-1之间，冰露为之间，冰露为3400-3500 cm-13400-3500 cm-1，普通自来水，普通自来水的特征峰达到了的特征峰达到了5000 cm-15000 cm-1，有十分明显的差异。，有十分明显的差异。从纵坐标看，昆仑山矿泉水的拉曼光谱强度为从纵坐标看，昆仑山矿泉水的拉曼光谱强度为137137，而，而冰露为冰露为252252，自来水为，自来水为362362，根据分子光谱学理论以及，根据分子光谱学理论以及WalranfenWalranfen给出的水分子缔合的光谱数据给出的水分子缔合的光谱数据,拉曼光谱强拉曼光谱强度正比于同类分子的数目的结论。可以得出它们的水度正比于同类分子的数目的结论。可以得出它们的水分子团簇依次增大。自来水的水分子团簇中水分子的分子团簇依次增大。自来水的水分子团簇中水分子的个数约为昆仑山矿泉水的个数约为昆仑山矿泉水的2.642.64倍。有着十分明显的差倍。有着十分明显的差异。异。超声波处理后的效果超声波处理后的效果超纯水超纯水未处理时：未处理时：纵坐标光强为纵坐标光强为450450超声处理后：纵坐标光强为超声处理后：纵坐标光强为130130根据拉曼光谱强度正比于同类分子的数目根据拉曼光谱强度正比于同类分子的数目结论：超声波使水分子团簇变小，效果十结论：超声波使水分子团簇变小，效果十 分明显。处理后的水分子图簇中水分子分明显。处理后的水分子图簇中水分子数减少了数减少了71%71%国内外研究现状国内外研究现状 目前，改变水分子团簇结构的方法：目前，改变水分子团簇结构的方法：1.1.外加磁场法、外加磁场法、2.2.外加电场法、外加电场法、3.3.激光辐射法激光辐射法4.4.直接加热法等。直接加热法等。这些方法均取得一定进展，但是均存在能耗高这些方法均取得一定进展，但是均存在能耗高、处理工艺复杂、效果不好等缺点，不利于处、处理工艺复杂、效果不好等缺点，不利于处理大量的水，不利于大面积推广。理大量的水，不利于大面积推广。本项目创新之处本项目创新之处 针对目前改变水分子团簇结构方法存在针对目前改变水分子团簇结构方法存在的缺点与不足，提出一种新的可行的方的缺点与不足，提出一种新的可行的方法，超声波处理法。法，超声波处理法。当前，超声波处理法主要用于环保领域当前，超声波处理法主要用于环保领域中对污水的处理中对污水的处理,其目的是去除水中的有其目的是去除水中的有机物，而超声波对水分子簇结构影响的机物，而超声波对水分子簇结构影响的研究却几乎未涉及到研究却几乎未涉及到。方案可行性分析方案可行性分析 超声波的空化效应，超声波通过液体介质向四超声波的空化效应，超声波通过液体介质向四周传播周传播,当声能足够高时当声能足够高时,在疏松的半周期内在疏松的半周期内,液相分子间的吸引力被打破液相分子间的吸引力被打破,形成空化核。形成空化核。空化核的寿命约为空化核的寿命约为0.1us,0.1us,它在爆炸的瞬间可它在爆炸的瞬间可以产生大约以产生大约4 000 K 4 000 K 和和100 MPa 100 MPa 的局部高温高的局部高温高压环境压环境,并产生速度约并产生速度约110 m/s110 m/s的具有强烈冲击的具有强烈冲击力的微射流。然后该热点随之冷却力的微射流。然后该热点随之冷却,冷却率冷却率109 K/s,109 K/s,并在液体中伴有强大的冲击波并在液体中伴有强大的冲击波,这这些条件足以使水分子簇在空化气泡内发生氢键些条件足以使水分子簇在空化气泡内发生氢键断裂，从而达到减小水分子簇的目的。断裂，从而达到减小水分子簇的目的。实施思路实施思路：用不同频率和声强的超声波对水样品用不同频率和声强的超声波对水样品（高纯水）进行处理。（高纯水）进行处理。分别用拉曼光谱仪获分别用拉曼光谱仪获 取处理后水样的拉曼光谱图。取处理后水样的拉曼光谱图。对拉曼光图谱进行分析，得出超声频对拉曼光图谱进行分析，得出超声频率、声强与水分子团簇个数之间的定性率、声强与水分子团簇个数之间的定性关系。关系。项目先进性及创新之处项目先进性及创新之处 1.1.通过超声的空化效应，破坏水分子间作用力通过超声的空化效应，破坏水分子间作用力最强的氢键，从而使水分子团簇结构变小。最强的氢键，从而使水分子团簇结构变小。2.2.根据分子光谱学理论以及根据分子光谱学理论以及WalranfenWalranfen给出的给出的水分子缔合的光谱数据水分子缔合的光谱数据,拉曼光谱强度正比于拉曼光谱强度正比于同类分子的数目的结论，采用国际最先进的、同类分子的数目的结论，采用国际最先进的、国内分辨率最高（最小移动步长为国内分辨率最高（最小移动步长为0.1um0.1um）的）的英国英国Renishaw Renishaw 拉曼激光仪检测超声处理后的拉曼激光仪检测超声处理后的水，得到拉曼光谱图。使用水，得到拉曼光谱图。使用Origin V8.0Origin V8.0软件软件对数据进行分析、处理，用拉曼光谱强度定性对数据进行分析、处理，用拉曼光谱强度定性地分析水分子团簇的大小的改变。地分析水分子团簇的大小的改变。3.3.通过通过 核磁共振半高幅宽表征液态核磁共振半高幅宽表征液态水分子团簇结构的平均相对大小。建立水分子团簇结构的平均相对大小。建立水的拉曼光谱图中光谱强度与水的拉曼光谱图中光谱强度与 核磁核磁共振半高幅宽之间的关系。共振半高幅宽之间的关系。4.4.通过对拉曼光谱图光谱峰强、核磁共通过对拉曼光谱图光谱峰强、核磁共振半高幅宽的分析，获得最佳处理效果振半高幅宽的分析，获得最佳处理效果的超声波频率和声强。的超声波频率和声强。预期效果预期效果 1.1.获得超声频率、声强与水分子团簇个获得超声频率、声强与水分子团簇个数之间的定性关系数之间的定性关系 2.2.建立水拉曼光谱图中光谱强度与建立水拉曼光谱图中光谱强度与 核磁共振半高幅宽之间的关系。核磁共振半高幅宽之间的关系。3.3.争取申请专利一项，在核心期刊发表争取申请专利一项，在核心期刊发表论文一篇论文一篇 去北京大学做去北京大学做 核磁共振实验核磁共振实验 1.1.建立水拉曼光谱图中光谱强度与建立水拉曼光谱图中光谱强度与 核磁共振半高幅宽之间的关系。核磁共振半高幅宽之间的关系。2.2.定量的分析超声处理后水分子团簇中定量的分析超声处理后水分子团簇中水分子的个数水分子的个数下一步的计划下一步的计划在科学的道路上，是没有平在科学的道路上，是没有平坦的大路可走的，只有那些坦的大路可走的，只有那些在崎岖小路上攀登且不畏艰在崎岖小路上攀登且不畏艰苦劳累的人们，才有希望到苦劳累的人们，才有希望到达光辉的顶点。达光辉的顶点。马克思马克思