表面力儀技術及其應用

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，半個世紀以來廣泛應用于各領域的研究，例如，配體-受體相互作用，貽貝啟發(fā)的粘附機制，脂質雙分子層，電化學表面力，以及潤滑與磨損等。

SFA通常使用交叉圓柱進行操作。首先，它規(guī)避了準確對齊兩個平行板的困難，從而避免不必要的邊緣效應；其次，可以通過橫向移動圓柱體來研究相同表面上不同的接觸點。如果在實驗過程中出現(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量結果與通常用于平坦表面的理論模型進行比較。

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Derjaguin近似，等效于球體與平面的接觸。兩個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，即 E =F/2πr。這提供了一種歸一化方法，以定量比較來自不同實驗的數(shù)據(jù)。

一般地，SFA使用云母作為基底，因為它可以將其裂解成具有原子光滑表面的均勻厚的間隔層。SFA 技術的主要優(yōu)勢之一在于可以對接觸區(qū)域進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。因此成為了摩擦學領域中少數(shù)能夠原位實時成像接觸區(qū)域幾何形狀的技術之一，并且具有亞納米分辨率的技術。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，白光通過這個干涉結構。兩個反射鏡之間的分層介質傳輸?shù)墓獾膹姸热Q于光學厚度：只有在腔中的多次反射之后相長干涉的波長才能穿過多層系統(tǒng)。然后可以將出現(xiàn)的光束聚焦在光譜儀上。由此產(chǎn)生的相長干涉條紋（等色序條紋，F(xiàn)ECO）攜帶著關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)了簡單的表達式，從FECO的波長計算這些數(shù)量，用于限制在相同厚度的云母表面之間的薄膜。后來，分析已擴展到不對稱、吸附、各向異性或更復雜的多層系統(tǒng)。擴展分析以獲取有關表面粗糙度的信息的潛力也已得到證實。

典型SFA實驗中的法向相互作用力，其中一個表面使用電機/壓電元件的進行驅動，而另一個表面則連接到帶有固定端的校準彈簧。通過逐漸改變雙懸臂彈簧的固定端與另一表面之間的距離來測量相互作用力，并使表面之間的分離達到平衡狀態(tài)。位移與表面之間的間距的實際變化之間的差異，ΔD由MBI測量。

在摩擦學實驗中，云母表面達到一定的間隔T。通過在表面之間施加橫向位移，并測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。通過使用MBI，可以在滑動表面時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到它，從而可以區(qū)分未損壞的滑動和磨損摩擦，并獨立研究這兩種情況。

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

表面力響應于界面特性敏感地變化，因此力分布包含有關界面特性及其從表面到本體/液體變化的信息。簡單的情況是(1)在帶電表面和電解質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，但都需要大型設施和模型數(shù)據(jù)分析。SFA測量簡單、直接且緊湊。

使用SFA進行測量的另一個重要特征是可以監(jiān)測大尺寸表面的作用，即數(shù)十個微米的接觸直徑，能夠同時測量許多分子的相互作用。當使用力探針的原子力顯微鏡進行單分子測量時，實際材料中常見的多個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描述。SFA測量與由許多分子和/或處于凝聚態(tài)的真實系統(tǒng)密切相關。例如對聚電解質刷層的研究——揭示了它們的集體特性和依賴于密度的轉變。