表面力儀(SFA)在材料科學中的應用

闡明結構和相互作用是材料科學中最基本的方法。有許多工具可以表征結構，但由于缺乏適當的表征技術以及多個原子和分子系統相互作用的復雜性，研究者對相互作用的理解仍然有限。

表面力儀(SFA)提供了力-距離分布，是闡明相互作用的強大工具。事實上，該技術可追溯至1930年代，以證明量子力學預測的色散力。在20世紀50年代，引入等色階條紋(FECO)來確定彈簧的分離和撓度，該裝置從此實現了重大突破。后來，SFA成功測量了水中的相互作用（雙電層排斥力和范德華吸引力的總和）以證明DLVO理論。

SFA在1980年代擴展到膠體穩定性、聚合物的空間位阻相互作用以及膠束和雙層兩親體自組裝。結果顯示，由于限制在云母表面之間的液體分子的層結構產生了意想不到的振蕩力，為我們對表面相互作用的理解提供了新的線索。分子組裝化學在類似的時間蓬勃發展，因此許多早期研究致力于研究分子組裝。研究了兩親體親水頭部基團之間的相互作用，為兩親性組裝體提供了物理和化學基礎。

種種研究顯示，SFA不僅可以直接展示相互作用，而且可以揭示界面處發生的未知現象。在這些成果的鼓舞下，人們一直在努力利用其作為材料科學領域的基礎工具。SFA與其他測量方法（如原子力顯微鏡AFM和全反射顯微鏡TRM）相比，具有以下優點：

通過構造簡單的樣品模型解釋復雜的結構和功能。

獲取包含有關界面特性及其變化的信息。如，在帶電表面和電解質溶液之間的界面處形成的雙電層，聚合物吸附層的空間位阻排斥。傳統X射線和/或中子反射方法都需要大型設施和模型數據分析。

被監測表面的尺寸可以很大，即數十微米的接觸直徑。使實驗過程能夠同時測量許多分子的相互作用。當使用AFM探針時，多個分子之間的相互作用在實際材料中很常見，但它們不一定能用單分子相互作用的總和來描述。

SFA可以研究長距離較弱的力，距離分辨率更好。

左：AFM實驗示意圖。AFM懸臂和表面之間的相對距離由光電二極管中激光的位移決定。根據胡克定律，通過檢測AFM探針懸臂和表面之間的主導力對懸臂的偏轉來測量力。圖示二氧化硅膠體探針和二氧化硅表面之間的接觸幾何形狀。

右：SFA示意圖。兩個表面之間的絕對距離是通過等色階條紋(FECO)來計算的。然后根據胡克定律，通過考慮計算距離和正常距離之間的差異（沒有彈簧偏轉）來測量力。