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表面力仪(SFA)在材料科学中的应用

更新时间:2023-03-30      点击次数:1091

阐明结构和相互作用是材料科学中最基本的方法。有许多工具可以表征结构,但由于缺乏适当的表征技术以及多个原子和分子系统相互作用的复杂性,研究者对相互作用的理解仍然有限。

表面力仪(SFA)提供了力-距离分布,是阐明相互作用的强大工具。事实上,该技术可追溯至1930年代,以证明量子力学预测的色散力。在20世纪50年代,引入等色阶条纹(FECO)来确定弹簧的分离和挠度,该装置从此实现了重大突破。后来,SFA成功测量了水中的相互作用(双电层排斥力和范德华吸引力的总和)以证明DLVO理论。

Materials Science and Engineering at the University of California Merced.jpg

SFA在1980年代扩展到胶体稳定性、聚合物的空间位阻相互作用以及胶束和双层两亲体自组装。结果显示,由于限制在云母表面之间的液体分子的层结构产生了意想不到的振荡力,为我们对表面相互作用的理解提供了新的线索。分子组装化学在类似的时间蓬勃发展,因此许多早期研究致力于研究分子组装。研究了两亲体亲水头部基团之间的相互作用,为两亲性组装体提供了物理和化学基础。

种种研究显示,SFA不仅可以直接展示相互作用,而且可以揭示界面处发生的未知现象。在这些成果的鼓舞下,人们一直在努力利用其作为材料科学领域的基础工具。SFA与其他测量方法(如原子力显微镜AFM和全反射显微镜TRM)相比,具有以下优点:

AFM vs SFA.jpg

通过构造简单的样品模型解释复杂的结构和功能。

获取包含有关界面特性及其变化的信息。如,在带电表面和电解质溶液之间的界面处形成的双电层,聚合物吸附层的空间位阻排斥。传统X射线和/或中子反射方法都需要大型设施和模型数据分析。

被监测表面的尺寸可以很大,即数十微米的接触直径。使实验过程能够同时测量许多分子的相互作用。当使用AFM探针时,多个分子之间的相互作用在实际材料中很常见,但它们不一定能用单分子相互作用的总和来描述。

SFA可以研究长距离较弱的力,距离分辨率更好。


左:AFM实验示意图。AFM悬臂和表面之间的相对距离由光电二极管中激光的位移决定。根据胡克定律,通过检测AFM探针悬臂和表面之间的主导力对悬臂的偏转来测量力。图示二氧化硅胶体探针和二氧化硅表面之间的接触几何形状。

右:SFA示意图。两个表面之间的绝对距离是通过等色阶条纹(FECO)来计算的。然后根据胡克定律,通过考虑计算距离和正常距离之间的差异(没有弹簧偏转)来测量力。