Аппарат поверхностных сил - Surface forces apparatus

Эта статья требует внимания специалиста по физике. Пожалуйста, добавьте причина или разговаривать в этот шаблон, чтобы объяснить проблему со статьей. ВикиПроект Физика может помочь нанять эксперта. (Декабрь 2007 г.)

Современный аппарат поверхностной силы. Показанная модель - SFA 2000.^[1]

В Аппарат поверхностной силы (SFA) это научный инструмент который измеряет силу взаимодействия двух поверхностей, когда они сводятся вместе и втягиваются, с использованием многолучевой интерферометрии для отслеживания разделения поверхностей и прямого измерения площади контакта и наблюдения за любыми деформациями поверхности, возникающими в зоне контакта. Одна поверхность удерживается консольный пружина, а отклонение пружины используется для расчета прилагаемой силы.^[2] Метод был впервые использован Д. Табором, R.H.S. Винтертон в конце 1960-х гг. Кембриджский университет.^[3] К середине 1970-х гг. J.N. Исраэлашвили адаптировал первоначальную конструкцию для работы с жидкостями, особенно с водными растворами, в то время как Австралийский национальный университет,^[4] и дополнительно усовершенствовали технику для поддержки исследований трения и электрохимических исследований поверхности^[5] в то время как в Калифорнийский университет Санта-Барбары.

Операция

Аппарат поверхностной силы использует пьезоэлектрический позиционирующие элементы (в дополнение к обычным двигателям для грубой регулировки) и измеряют расстояние между поверхностями с помощью оптическая интерферометрия.^[6] Используя эти чувствительные элементы, устройство может определять расстояния с точностью до 0,1 нанометр, и силы в 10⁻⁸ N уровень. Этот чрезвычайно чувствительный метод можно использовать для измерения электростатический силы, неуловимые силы Ван дер Ваальса, и даже силы гидратации или сольватации. SFA в некотором смысле похожа на использование атомно-силовой микроскоп для измерения взаимодействия между наконечником (или молекулой, адсорбированной на наконечнике) и поверхностью. SFA, однако, более идеально подходит для измерения взаимодействий поверхность-поверхность, может более точно измерять гораздо более дальнодействующие силы и хорошо подходит для ситуаций, когда большое время релаксации играет роль (упорядочение, высокая вязкость, коррозия). Техника SFA довольно сложна, тем не менее, лаборатории по всему миру приняли эту технику как часть своих инструментов для исследования поверхности.

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

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

Измерения положения обычно выполняются с использованием нескольких лучей. интерферометрия (МБИ). Прозрачные поверхности перпендикулярных цилиндров, обычно слюдяные, перед установкой на стеклянные цилиндры покрываются высокоотражающим материалом, обычно серебристым. Когда источник белого света направлен перпендикулярно перпендикулярным цилиндрам, свет будет отражаться вперед и назад до тех пор, пока не попадет туда, где поверхности находятся ближе всего. Эти лучи создают интерференционную картину, известную как полосы равного хроматического порядка (FECO), которые можно наблюдать под микроскопом. Расстояние между двумя поверхностями можно определить, анализируя эти образцы. Слюда используется потому, что он очень плоский, с ним легко работать и он оптически прозрачный. Любой другой интересующий материал или молекула может быть нанесен на слой слюды или адсорбирован на нем.

Метод прыжка

В методе прыжка верхний цилиндр крепится к паре консольных пружин, а нижний цилиндр поднимается к верхнему цилиндру. Пока нижний цилиндр приближается к верхнему, наступает момент, когда они «подпрыгивают», соприкасаясь друг с другом. В этом случае измерения основаны на расстоянии, с которого они прыгают, и жесткости пружины. Эти измерения обычно проводятся между поверхностями на расстоянии 1,25 нм и 20 нм.^[6]

Резонансный метод

Прыжковый метод трудно выполнить, в основном из-за неучтенных вибраций, попадающих в инструмент. Чтобы преодолеть это, исследователи разработали резонансный метод, который измерял поверхностные силы на больших расстояниях, от 10 до 130 нм. В этом случае нижний цилиндр колеблется с известной частотой, а частота верхнего цилиндра измеряется с помощью пьезоэлектрический биморф тензодатчик. Чтобы минимизировать демпфирование из-за окружающего вещества, эти измерения первоначально проводились в вакууме.^[6]

Режим растворителя

Ранние эксперименты измеряли силу между слюда поверхности в воздуха или же вакуум.^[6] Однако техника была расширена, чтобы позволить произвольную пар или же растворитель быть введенным между двумя поверхностями.^[7] Таким образом можно тщательно исследовать взаимодействие в различных средах, и диэлектрическая постоянная зазора между поверхностями можно настраивать. Более того, использование воды в качестве растворителя позволяет измерять взаимодействия между биологическими молекулами (такими как липиды в биологические мембраны или же белки ) в своей родной среде. В среде растворителя SFA может даже измерять колебательные сольватационные и структурные силы, возникающие в результате упаковки отдельных слоев молекул растворителя. Он также может измерять электростатические силы двойного слоя между заряженными поверхностями в водный средний с электролит.

Динамический режим

В последнее время SFA был расширен для выполнения динамических измерений, тем самым определяя вязкий и вязкоупругие свойства жидкостей, фрикционный и трибологический свойства поверхностей и зависящее от времени взаимодействие между биологическими структурами.^[8]

Теория

Силовые измерения ОТВС основаны прежде всего на Закон Гука,

${ Displaystyle F = kx}$

где F - возвращающая сила пружины, k - жесткость пружины, а x - смещение пружины.

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

${ Displaystyle Delta F (x) = k ( Delta x_ {применено} - Delta x_ {измерено})}$

куда ${ textstyle Delta x_ {применено}}$представляет собой изменение смещения микрометром и ${ displaystyle Delta x_ {измерено}}$ представляет собой изменение смещения, измеренное с помощью интерферометрии.

Константы пружины могут варьироваться от ${ displaystyle 30 times 10 ^ {5} { frac {N} {m}}}$ к ${ displaystyle 5 times 10 ^ {5} { frac {N} {m}}}$.^[2] При измерении более высоких усилий будет использоваться пружина с более высокой жесткостью пружины.

Смотрите также

• Атомно-силовой микроскоп
• Коллоидный зонд

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Наука о поверхности и технологии, Швейцарский федеральный технологический институт
• Австралийский национальный университет, Исследовательская школа физических наук и инженерии
• "Рентгеновский аппарат поверхностных сил: структура тонкой смектической жидкокристаллической пленки в ограниченном пространстве" Science 24 июня 1994: Vol. 264. нет. 5167, с. 1915 - 1918 гг.
• «Рентгеновский аппарат для измерения поверхностных сил для одновременной дифракции рентгеновских лучей и прямых измерений нормальной и поперечной силы». Обзор научных инструментов, 73 (6):2486-2488 (2002).