Aparat sił powierzchniowych

Obecny Aparat Sił Powierzchniowych. Pokazany model to SFA 2000.

Surface Force Apparatus ( SFA ) to instrument naukowy , który mierzy siłę interakcji dwóch powierzchni, gdy są one zbliżane i wycofywane za pomocą interferometrii wielowiązkowej w celu monitorowania separacji powierzchni i bezpośredniego pomiaru powierzchni kontaktu oraz obserwacji wszelkich deformacji powierzchni występujących w strefie kontaktu. Jedna powierzchnia jest utrzymywana przez wspornikową , a odchylenie sprężyny jest wykorzystywane do obliczenia wywieranej siły. Pionierami tej techniki byli David Tabor i RHS Winterton pod koniec lat 60. na Uniwersytecie Cambridge . W połowie lat siedemdziesiątych JN Israelachvili zaadaptował oryginalny projekt do pracy w cieczach, zwłaszcza roztworach wodnych, podczas pobytu na Australian National University i dalej rozwijał technikę wspomagania badań tarcia i powierzchni elektrochemicznych na University of California Santa Barbary .

Operacja

Urządzenie siły powierzchniowej wykorzystuje piezoelektryczne elementy pozycjonujące (oprócz konwencjonalnych silników do zgrubnej regulacji) i wykrywa odległość między powierzchniami za pomocą interferometrii optycznej . Wykorzystując te czułe elementy, urządzenie może określać odległości z dokładnością do 0,1 nanometra i siły na poziomie ^10-8 N. Ta niezwykle czuła technika może być wykorzystana do pomiaru sił elektrostatycznych , nieuchwytnych sił van der Waalsa , a nawet sił hydratacji lub solwatacji. SFA jest pod pewnymi względami podobny do używania pliku mikroskop sił atomowych do pomiaru interakcji między końcówką (lub cząsteczką zaadsorbowaną na końcówce) a powierzchnią. SFA jest jednak bardziej odpowiedni do pomiaru interakcji powierzchnia-powierzchnia, może dokładniej mierzyć siły o znacznie większym zasięgu i dobrze nadaje się do sytuacji, w których duże znaczenie mają długie czasy relaksacji (uporządkowanie, wysoka lepkość, korozja). Technika SFA jest dość wymagająca, niemniej jednak laboratoria na całym świecie przyjęły tę technikę jako część swojego oprzyrządowania do badań powierzchniowych.

W metodzie SFA dwie gładkie cylindrycznie zakrzywione powierzchnie, których osie cylindryczne są ustawione względem siebie pod kątem 90°, zbliżają się do siebie w kierunku normalnym do tych osi. Odległość między powierzchniami w punkcie największego zbliżenia waha się od kilku mikrometrów do kilku nanometrów, w zależności od aparatury. Gdy dwa zakrzywione cylindry mają ten sam promień krzywizny R , ta geometria tak zwanych „skrzyżowanych cylindrów” jest matematycznie równoważna interakcji między płaską powierzchnią a kulą o promieniu R . Zastosowanie geometrii skrzyżowanego cylindra znacznie ułatwia wyrównanie, umożliwia testowanie wielu różnych obszarów powierzchni w celu uzyskania lepszych statystyk, a także umożliwia wykonywanie pomiarów zależnych od kąta. Typowa konfiguracja obejmuje R = 1 cm.

Przykładowa konfiguracja SFA przedstawiająca różne warstwy przy użyciu geometrycznie równoważnego modelu.

interferometrii wielowiązkowej (MBI). Przezroczyste powierzchnie prostopadłych cylindrów, zwykle miki, przed zamontowaniem na szklanych cylindrach są pokryte wysoce odblaskowym materiałem, zwykle srebrnym. Gdy źródło białego światła świeci prostopadle do prostopadłych cylindrów, światło będzie odbijać się tam iz powrotem, aż zostanie przesłane w miejsce, w którym powierzchnie są najbliżej. Promienie te tworzą wzór interferencyjny, znany jako prążki równego rzędu chromatycznego (FECO), który można obserwować pod mikroskopem. Odległość między dwiema powierzchniami można określić, analizując te wzory. Mika jest używany, ponieważ jest wyjątkowo płaski, łatwy w obróbce i optycznie przezroczysty. Każdy inny materiał lub cząsteczka będąca przedmiotem zainteresowania może być powleczona lub zaadsorbowana na warstwie miki.

Metoda skoku

W metodzie skoku górny cylinder jest montowany na parze sprężyn wspornikowych, podczas gdy dolny cylinder jest podnoszony w kierunku górnego cylindra. Gdy dolny cylinder zbliża się do góry, przychodzi moment, w którym „wskakują” na siebie. Pomiary w tym przypadku opierają się na odległości, z której skaczą, oraz stałej sprężystości. Pomiary te są zwykle między powierzchniami oddalonymi od siebie o 1,25 nm i 20 nm.

Metoda rezonansu

Metoda skoku jest trudna do wykonania głównie ze względu na nieuwzględnione wibracje wchodzące do instrumentu. Aby temu zaradzić, naukowcy opracowali metodę rezonansu, która mierzyła siły powierzchniowe na większych odległościach, od 10 nm do 130 nm. W tym przypadku dolny cylinder oscyluje ze znaną częstotliwością, podczas gdy częstotliwość górnego cylindra jest mierzona za pomocą piezoelektrycznego tensometru bimorficznego . Aby zminimalizować tłumienie spowodowane otaczającą substancją, pomiary te były pierwotnie wykonywane w próżni.

Tryb rozpuszczalnika

We wczesnych eksperymentach mierzono siłę między powierzchniami miki w powietrzu lub próżni . Technika została jednak rozszerzona, aby umożliwić wprowadzenie dowolnej pary lub rozpuszczalnika między dwie powierzchnie. W ten sposób można dokładnie zbadać interakcje w różnych mediach i dostosować stałą dielektryczną szczeliny między powierzchniami. Ponadto wykorzystanie wody jako rozpuszczalnika umożliwia pomiar interakcji między cząsteczkami biologicznymi (takimi jak lipidy w błony biologiczne lub białka ) w ich naturalnym środowisku. W środowisku rozpuszczalnika SFA może nawet mierzyć solwatację oscylacyjną i siły strukturalne wynikające z upakowania poszczególnych warstw cząsteczek rozpuszczalnika. Może również mierzyć siły elektrostatyczne „podwójnej warstwy” między naładowanymi powierzchniami w wodnym z elektrolitem .

Tryb dynamiczny

SFA została ostatnio rozszerzona o wykonywanie pomiarów dynamicznych, określających w ten sposób lepkie i lepkosprężyste właściwości płynów, właściwości cierne i tribologiczne powierzchni oraz zależne od czasu interakcje między strukturami biologicznymi.

Teoria

Pomiary siły SFA opierają się głównie na prawie Hooke'a ,

${\ Displaystyle F = kx}$

gdzie F to siła przywracająca sprężyny, k to stała sprężyny, a x to przemieszczenie sprężyny.

Za pomocą sprężyny wspornikowej dolna powierzchnia jest zbliżana do górnej powierzchni za pomocą precyzyjnego mikrometru lub piezorurki. Siła działająca między dwiema powierzchniami jest mierzona przez

$\ Displaystyle \ Delta F (x) = k (\ Delta x_ {stosowane} - \$

gdzie $\ textstyle \ Delta x_ {zastosowany}}$ jest zmianą przemieszczenia zastosowaną przez mikrometr i $\ Displaystyle \ Delta x_ {zmierzony}}$ jest przemieszczeniem zmian mierzonym interferometrycznie.

Stałe sprężystości mogą wahać się od ${\ Displaystyle 30 \ razy 10 ^ {5} {\ Frac {N} {m}}}$ do ${\ Displaystyle 5 \ razy 10 ^ {5}{\frac {N}{m}}}$ . Przy pomiarach większych sił należy zastosować sprężynę o wyższej stałej sprężystości.

Zobacz też

Dalsza lektura