表面力儀技術(shù)及其應(yīng)用

Surface Forces Apparatus(SFA) Technique

SFA在了解表界面間的相互作用中做出了許多貢獻(xiàn)，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的研究，例如，配體-受體相互作用，貽貝啟發(fā)的粘附機(jī)制，脂質(zhì)雙分子層，電化學(xué)表面力，以及潤(rùn)滑與磨損等。

SFA通常使用交叉圓柱進(jìn)行操作。首先，它規(guī)避了準(zhǔn)確對(duì)齊兩個(gè)平行板的困難，從而避免不必要的邊緣效應(yīng)；其次，可以通過(guò)橫向移動(dòng)圓柱體來(lái)研究相同表面上不同的接觸點(diǎn)。如果在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)表面的磨損或污染，則可以很容易地找到新的接觸區(qū)；最后，該幾何形狀方便地將測(cè)量結(jié)果與通常用于平坦表面的理論模型進(jìn)行比較。

如果彎曲表面之間的距離D比其曲率半徑R小得多，則通過(guò)Derjaguin近似，等效于球體與平面的接觸。兩個(gè)這樣的表面之間的力F可能與每單位面積E的平坦表面之間的相互作用能量有關(guān)，即 E =F/2πr。這提供了一種歸一化方法，以定量比較來(lái)自不同實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

一般地，SFA使用云母作為基底，因?yàn)樗梢詫⑵淞呀獬删哂性庸饣砻娴木鶆蚝竦拈g隔層。SFA 技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一在于可以對(duì)接觸區(qū)域進(jìn)行成像以確定表面之間的距離、限制在它們之間的薄膜的折射率以及接觸區(qū)域的幾何形狀。因此成為了摩擦學(xué)領(lǐng)域中少數(shù)能夠原位實(shí)時(shí)成像接觸區(qū)域幾何形狀的技術(shù)之一，并且具有亞納米分辨率的技術(shù)。多光束干涉儀(MBI)用于此目的。高反射層沉積在云母表面的背面，白光通過(guò)這個(gè)干涉結(jié)構(gòu)。兩個(gè)反射鏡之間的分層介質(zhì)傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度取決于光學(xué)厚度：只有在腔中的多次反射之后相長(zhǎng)干涉的波長(zhǎng)才能穿過(guò)多層系統(tǒng)。然后可以將出現(xiàn)的光束聚焦在光譜儀上。由此產(chǎn)生的相長(zhǎng)干涉條紋（等色序條紋，F(xiàn)ECO）攜帶著關(guān)于光路中不同層的厚度和折射率的信息。特別是，限制在云母表面之間的薄膜的厚度和折射率可以分別以0.1 nm和0.01的精度確定。Jocab Israelachvili開發(fā)了簡(jiǎn)單的表達(dá)式，從FECO的波長(zhǎng)計(jì)算這些數(shù)量，用于限制在相同厚度的云母表面之間的薄膜。后來(lái)，分析已擴(kuò)展到不對(duì)稱、吸附、各向異性或更復(fù)雜的多層系統(tǒng)。擴(kuò)展分析以獲取有關(guān)表面粗糙度的信息的潛力也已得到證實(shí)。

典型SFA實(shí)驗(yàn)中的法向相互作用力，其中一個(gè)表面使用電機(jī)/壓電元件的進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而另一個(gè)表面則連接到帶有固定端的校準(zhǔn)彈簧。通過(guò)逐漸改變雙懸臂彈簧的固定端與另一表面之間的距離來(lái)測(cè)量相互作用力，并使表面之間的分離達(dá)到平衡狀態(tài)。位移與表面之間的間距的實(shí)際變化之間的差異，ΔD由MBI測(cè)量。

在摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)中，云母表面達(dá)到一定的間隔T。通過(guò)在表面之間施加橫向位移，并測(cè)量由該位移引起的力。通常施加一定的法向載荷L。如果載荷足夠高，則表面下的膠層會(huì)發(fā)生彈性變形，薄膜被限制在均勻厚度T和接觸面積A的平坦圓形區(qū)域。通過(guò)使用MBI，可以在滑動(dòng)表面時(shí)獲得接觸表面的圖像，從而可以監(jiān)控接觸區(qū)域的大小和輪廓以及表面之間的距離。剪切引起的彈性流體動(dòng)力變形也可以區(qū)分。此外，一旦發(fā)生表面損壞，就可以很容易地檢測(cè)到它，從而可以區(qū)分未損壞的滑動(dòng)和磨損摩擦，并獨(dú)立研究這兩種情況。

使用SFA與其他直接表面力測(cè)量（例如，AFM和全反射顯微鏡TRM）相比具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

表面力響應(yīng)于界面特性敏感地變化，因此力分布包含有關(guān)界面特性及其從表面到本體/液體變化的信息。簡(jiǎn)單的情況是(1)在帶電表面和電解質(zhì)溶液之間的界面處形成的雙電層，以及(2)聚合物吸附層的空間排斥。表面力測(cè)量直接監(jiān)控這些特性，表征它們的替代方法是X射線和/或中子反射方法，但都需要大型設(shè)施和模型數(shù)據(jù)分析。SFA測(cè)量簡(jiǎn)單、直接且緊湊。

使用SFA進(jìn)行測(cè)量的另一個(gè)重要特征是可以監(jiān)測(cè)大尺寸表面的作用，即數(shù)十個(gè)微米的接觸直徑，能夠同時(shí)測(cè)量許多分子的相互作用。當(dāng)使用力探針的原子力顯微鏡進(jìn)行單分子測(cè)量時(shí)，實(shí)際材料中常見的多個(gè)分子之間的相互作用不一定能被單分子相互作用的總和來(lái)描述。SFA測(cè)量與由許多分子和/或處于凝聚態(tài)的真實(shí)系統(tǒng)密切相關(guān)。例如對(duì)聚電解質(zhì)刷層的研究——揭示了它們的集體特性和依賴于密度的轉(zhuǎn)變。