Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Современный аппарат поверхностной силы. Показанная модель - SFA 2000. [1]

Аппарат поверхностной силы ( SFA ) - это научный инструмент, который измеряет силу взаимодействия двух поверхностей, когда они сводятся вместе и втягиваются, с использованием многолучевой интерферометрии для контроля разделения поверхностей и прямого измерения площади контакта и наблюдения за любыми деформациями поверхности, возникающими в зоне контакта. Одна поверхность удерживается консольной пружиной, и отклонение пружины используется для расчета прилагаемой силы. [2] Метод был впервые использован Д. Табором из Винтертона в конце 1960-х годов в Кембриджском университете . [3] К середине 1970-х годов И.Н. Исраэлачвили.адаптировали исходную конструкцию для работы в жидкости, в частности водные растворы, в то время как в Австралийском национальном университете , [4] и далее расширенный метод для поддержки трения и исследований электрохимических поверхности [5] , в то Калифорнийский университет в Санта - Барбаре .

Операция [ править ]

Аппарат поверхностной силы использует пьезоэлектрические элементы позиционирования (в дополнение к обычным двигателям для грубой настройки) и определяет расстояние между поверхностями с помощью оптической интерферометрии . [6] С помощью этих чувствительных элементов, устройство может решить расстояния до 0,1 нм , а также силы на 10 -8 N уровне. Этот чрезвычайно чувствительный метод может использоваться для измерения электростатических сил, неуловимых сил Ван-дер-Ваальса и даже сил гидратации или сольватации. SFA в некотором роде похожа 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 между поверхностью и поверхностью, может более точно измерять силы более дальнего действия 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 две изогнутые цилиндры имеют одинаковый радиус кривизны, R , геометрия эти так называемые «пересекли цилиндры» математически эквивалентен взаимодействию между плоской поверхностью и сферой радиусом R . Использование геометрии скрещенного цилиндра значительно упрощает выравнивание, позволяет тестировать множество различных участков поверхности для получения более точных статистических данных, а также позволяет проводить измерения в зависимости от угла. Типичная установка включает R = 1 см.

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

Измерения местоположения обычно выполняются с использованием многолучевой интерферометрии (MBI). 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 взад и вперед, пока он не попадет в места, 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. Слюдаиспользуется 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 [ править ]

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]

Метод резонанса [ править ]

Метод прыжка трудно выполнить, в основном из-за неучтенных вибраций, попадающих в инструмент. Чтобы преодолеть это, исследователи разработали метод резонанса, 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 пьезоэлектрического биморфного тензодатчика. Чтобы минимизировать демпфирование из-за окружающего вещества, эти измерения первоначально проводились в вакууме. [6]

Режим растворителя [ править ]

Ранние эксперименты измеряли силу между поверхностями слюды в воздухе или вакууме . [6] Однако методика была расширена и теперь позволяет 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. Кроме того, использование воды в качестве растворителя позволяет измерять взаимодействия между биологическими молекулами (например, липидами в биологических мембранах или белками).) 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 водной среде с электролитом .

Динамический режим [ править ]

В последнее время SFA был расширен для выполнения 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 [ править ]

Измерения силы ОТВС основаны главным образом на законе Гука ,

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

С помощью консольной пружины нижняя поверхность перемещается к верхней поверхности с помощью тонкого микрометра или пьезотрубки. Сила между двумя поверхностями измеряется

где - изменение смещения, приложенное микрометром, и - изменение смещения, измеренное с помощью интерферометрии.

Константы пружины могут варьироваться от до . [2] При измерении более высоких усилий будет использоваться пружина с более высокой жесткостью пружины.

См. Также [ править ]

  • Атомно-силовой микроскоп
  • Коллоидный зонд

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Главная - SurForce LLC" . SurForce LLC . Проверено 26 октября 2018 .
  2. ^ a b Исраэлашвили, J; Мин, Y; Акбулут, М; Алиг, А; Карвер, G; Грин, Вт; Кристиансен, К; Мейер, Э; Песика, Н; Розенберг, К; Цзэн, Х (2010). «Последние достижения в технике поверхностных силовых аппаратов» . Отчеты о достижениях физики . 73 (3): 036601. Bibcode : 2010RPPh ... 73c6601I . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 73/3/036601 . ISSN 0034-4885 . 
  3. ^ Tabor, D .; Винтертон, RHS (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 .
  4. ^ Исраэлашвили, JN; Адамс, GE (26 августа 1976 г.). «Прямое измерение дальнодействующих сил между двумя поверхностями слюды в водных растворах KNO3». Природа . 262 (5571): 774–776. Bibcode : 1976Natur.262..774I . DOI : 10.1038 / 262774a0 .
  5. ^ Israelachvili, J; Мин, Y; Акбулут, М; Алиг, А; Карвер, G; Грин, Вт; Кристиансен, К; Мейер, Э; Песика, Н (27.01.2010). «Последние достижения в технике поверхностных силовых аппаратов» . Отчеты о достижениях физики . 73 (3): 036601. Bibcode : 2010RPPh ... 73c6601I . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 73/3/036601 . ISSN 0034-4885 . 
  6. ^ a b c d Исраэлачвили, JN; Табор, Д. (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 . 
  7. ^ Исраэлашвили, JN; Адамс, GE (1976-08-26). «Прямое измерение дальнодействующих сил между двумя поверхностями слюды в водных растворах KNO3». Природа . 262 (5571): 774–776. Bibcode : 1976Natur.262..774I . DOI : 10.1038 / 262774a0 .
  8. ↑ Автор (2002). «Новый аппарат поверхностных сил для нанореологии» (PDF) . Обзор научных инструментов . 73 (6): 2296. DOI : 10,1063 / 1,1476719 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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». Review of Scientific Instruments , 73 (6): 2486-2488 (2002).