Аппарат поверхностных сил

Действующий прибор поверхностной силы. Показанная модель — SFA 2000. ^[1]

Аппарат поверхностной силы ( SFA ) — это научный прибор , который измеряет силу взаимодействия двух поверхностей, когда они сводятся и разводятся, используя многолучевую интерферометрию для контроля разделения поверхностей и непосредственного измерения площади контакта, а также для наблюдения за любыми деформациями поверхности, происходящими в зоне контакта. Одна поверхность удерживается консольной пружиной, а отклонение пружины используется для расчета прилагаемой силы. ^[2] Метод был впервые предложен Дэвидом Табором и Р. Х. С. Уинтертоном в конце 1960-х годов в Кембриджском университете . ^[3] К середине 1970-х годов Дж. Н. Израэлашвили адаптировал оригинальную конструкцию для работы в жидкостях, в частности, в водных растворах, работая в Австралийском национальном университете , ^[4] и далее усовершенствовал метод для поддержки исследований трения и электрохимической поверхности ^[5] , работая в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре .

Операция

Аппарат поверхностной силы использует пьезоэлектрические элементы позиционирования (в дополнение к обычным двигателям для грубой регулировки) и определяет расстояние между поверхностями с помощью оптической интерферометрии . ^[6] Используя эти чувствительные элементы, устройство может определять расстояния с точностью до 0,1 нанометра и силы на уровне 10−8 ^Н. Этот чрезвычайно чувствительный метод может использоваться для измерения электростатических сил, неуловимых сил Ван-дер-Ваальса и даже сил гидратации или сольватации. SFA в некотором смысле похож на использование атомно-силового микроскопа для измерения взаимодействия между наконечником (или молекулой, адсорбированной на наконечнике) и поверхностью. SFA, однако, более идеально подходит для измерения взаимодействий поверхность-поверхность, может точнее измерять силы на гораздо большем расстоянии и хорошо подходит для ситуаций, где играют роль длительные времена релаксации (упорядочение, высокая вязкость, коррозия). Метод SFA довольно требователен, тем не менее, лаборатории по всему миру приняли этот метод как часть своего исследовательского инструментария для изучения поверхности.

В методе SFA две гладкие цилиндрически изогнутые поверхности, цилиндрические оси которых расположены под углом 90° друг к другу, сближаются в направлении, нормальном к осям. Расстояние между поверхностями в точке наибольшего сближения варьируется от нескольких микрометров до нескольких нанометров в зависимости от аппарата. Когда два изогнутых цилиндра имеют одинаковый радиус кривизны R , эта так называемая геометрия «скрещенных цилиндров» математически эквивалентна взаимодействию между плоской поверхностью и сферой радиуса R. Использование геометрии скрещенных цилиндров значительно упрощает выравнивание, позволяет тестировать множество различных областей поверхности для лучшей статистики, а также позволяет проводить измерения, зависящие от угла. Типичная установка включает R = 1 см.

Пример настройки SFA, демонстрирующий различные слои с использованием геометрически эквивалентной модели.

Измерения положения обычно производятся с помощью многолучевой интерферометрии (MBI). Прозрачные поверхности перпендикулярных цилиндров, обычно слюды, покрываются высокоотражающим материалом, обычно серебром, перед установкой на стеклянные цилиндры. Когда источник белого света освещает перпендикулярно перпендикулярным цилиндрам, свет будет отражаться вперед и назад, пока не пройдет туда, где поверхности находятся ближе всего. Эти лучи создают интерференционную картину, известную как полосы равного хроматического порядка (FECO), которую можно наблюдать с помощью микроскопа. Расстояние между двумя поверхностями можно определить, анализируя эти картины. Слюда используется, потому что она чрезвычайно плоская, с ней легко работать и она оптически прозрачна. Любой другой интересующий материал или молекула могут быть покрыты или адсорбированы на слое слюды.

Метод прыжка

В методе прыжка верхний цилиндр крепится к паре консольных пружин, в то время как нижний цилиндр подводится к верхнему цилиндру. Когда нижний цилиндр приближается к верхнему, наступает момент, когда они «прыгают» в контакт друг с другом. Измерения в этом случае основаны на расстоянии, с которого они прыгают, и константе пружины. Эти измерения обычно проводятся между поверхностями на расстоянии 1,25 нм и 20 нм друг от друга. ^[6]

Метод резонанса

Метод прыжка трудно реализовать, в основном, из-за неучтенных вибраций, поступающих в инструмент. Чтобы преодолеть это, исследователи разработали резонансный метод, который измеряет поверхностные силы на больших расстояниях, от 10 нм до 130 нм. В этом случае нижний цилиндр колеблется с известной частотой, в то время как частота верхнего цилиндра измеряется с помощью пьезоэлектрического биморфного тензодатчика. Чтобы минимизировать затухание из-за окружающего вещества, эти измерения изначально проводились в вакууме. ^[6]

Режим растворителя

Ранние эксперименты измеряли силу между слюдяными поверхностями в воздухе или вакууме . ^[6] Однако эта техника была расширена, чтобы позволить вводить произвольный пар или растворитель между двумя поверхностями. ^[7] Таким образом, взаимодействия в различных средах могут быть тщательно исследованы, и диэлектрическая проницаемость зазора между поверхностями может быть настроена. Более того, использование воды в качестве растворителя позволяет измерять взаимодействия между биологическими молекулами (такими как липиды в биологических мембранах или белки ) в их естественной среде. В среде растворителя SFA может даже измерять колебательную сольватацию и структурные силы, возникающие при упаковке отдельных слоев молекул растворителя. Он также может измерять электростатические силы «двойного слоя» между заряженными поверхностями в водной среде с электролитом .

Динамический режим

В последнее время SFA был расширен для проведения динамических измерений, тем самым определяя вязкие и вязкоупругие свойства жидкостей, фрикционные и трибологические свойства поверхностей, а также зависящее от времени взаимодействие между биологическими структурами. ^[8]

Теория

Измерения силы SFA основаны в первую очередь на законе Гука ,

${\displaystyle F=kx}$

где F — восстанавливающая сила пружины, k — коэффициент жесткости пружины, а x — смещение пружины.

Используя консольную пружину, нижняя поверхность приближается к верхней поверхности с помощью тонкого микрометра или пьезотрубки. Сила между двумя поверхностями измеряется

${\displaystyle \Delta F(x)=k(\Delta x_{\text{applied}}-\Delta x_{\text{measured}})}$

где — изменение смещения, приложенное микрометром, а — изменение смещения, измеренное интерферометрией. ${\textstyle \Delta x_{\text{applied}}}$ ${\displaystyle \Delta x_{\text{measured}}}$

Коэффициенты жесткости пружины могут находиться в диапазоне от до . ^[2] При измерении более высоких сил следует использовать пружину с более высоким коэффициентом жесткости. ${\displaystyle 30\times 10^{5}{\frac {N}{m}}}$ ${\displaystyle 5\times 10^{5}{\frac {N}{m}}}$

Смотрите также

• Атомно-силовой микроскоп
• Метод коллоидного зонда

Ссылки

1. "Главная - SurForce LLC". SurForce LLC . Получено 2018-10-26 .
2. Israelachvili, J; Min, Y; Akbulut, M; Alig, A; Carver, G; Greene, W; Kristiansen, K; Meyer, E; Pesika, N; Rosenberg, K; Zeng, H (2010). "Последние достижения в технике аппарата поверхностных сил (SFA)". Reports on Progress in Physics . 73 (3): 036601. Bibcode : 2010RPPh...73c6601I. doi : 10.1088/0034-4885/73/3/036601. ISSN  0034-4885. S2CID  53958134.
3. Табор, Д.; Винтертон, Р. Х. С. (30 сентября 1969 г.). «Прямое измерение нормальных и запаздывающих сил Ван-дер-Ваальса». Труды Королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 312 (1511): 435–450. Bibcode : 1969RSPSA.312..435T. doi : 10.1098/rspa.1969.0169. S2CID  96200833.
4. Israelachvili, JN; Adams, GE (26 августа 1976 г.). «Прямое измерение дальнодействующих сил между двумя поверхностями слюды в водных растворах KNO3». Nature . 262 (5571): 774–776. Bibcode :1976Natur.262..774I. doi :10.1038/262774a0. S2CID  4170776.
5. Israelachvili, J; Min, Y; Akbulut, M; Alig, A; Carver, G; Greene, W; Kristiansen, K; Meyer, E; Pesika, N (2010-01-27). "Последние достижения в технике аппарата поверхностных сил (SFA)". Reports on Progress in Physics . 73 (3): 036601. Bibcode : 2010RPPh...73c6601I. doi : 10.1088/0034-4885/73/3/036601. ISSN  0034-4885. S2CID  53958134.
6. Israelachvili, JN; Tabor, D. (1972-11-21). "Измерение дисперсионных сил Ван-дер-Ваальса в диапазоне от 1,5 до 130 нм". Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 331 (1584): 19–38. Bibcode : 1972RSPSA.331...19I. doi : 10.1098/rspa.1972.0162. ISSN  1364-5021. S2CID  202575114.
7. Israelachvili, JN; Adams, GE (1976-08-26). "Прямое измерение дальнодействующих сил между двумя поверхностями слюды в водных растворах KNO3". Nature . 262 (5571): 774–776. Bibcode :1976Natur.262..774I. doi :10.1038/262774a0. S2CID  4170776.
8. Автор (2002). "Новый аппарат поверхностных сил для нанореологии" (PDF) . Обзор научных приборов . 73 (6): 2296. Bibcode : 2002RScI...73.2292R. doi : 10.1063/1.1476719. {{cite journal}}: |last1=имеет общее название ( помощь )

Дальнейшее чтение

• Наука о поверхности и технологиях, Швейцарский федеральный технологический институт
• Австралийский национальный университет, Исследовательская школа физических наук и инженерии
• «Прибор для измерения поверхностных рентгеновских сил: структура тонкой смектической жидкокристаллической пленки в условиях ограничения» Science 24 июня 1994 г.: том 264, № 5167, стр. 1915–1918
• «Прибор рентгеновских поверхностных сил для одновременной рентгеновской дифракции и прямых измерений нормальных и боковых сил». Обзор научных приборов, 73 (6):2486-2488 (2002).