Аппарат надводных сил

Аппарат поверхностной силы ( SFA ) — это научный инструмент , который измеряет силу взаимодействия двух поверхностей, когда они сближаются и сближаются, с помощью многолучевой интерферометрии для мониторинга разделения поверхностей и непосредственного измерения площади контакта, а также наблюдения за любыми поверхностными деформациями, происходящими в зоне контакта. Одна поверхность удерживается консольной пружиной, а отклонение пружины используется для расчета прилагаемой силы. ^{[ 2 ]} Эту технику впервые применили Дэвид Тейбор и Р. Х. С. Уинтертон в конце 1960-х годов в Кембриджском университете . ^{[ 3 ]} К середине 1970-х годов Дж. Н. Исраелачвили адаптировал первоначальную конструкцию для работы с жидкостями, особенно с водными растворами, а в Австралийском национальном университете ^{[ 4 ]} и дальнейшее развитие техники для поддержки исследований трения и электрохимических поверхностей. ^{[ 5 ]} во время учебы в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре .

Операция

Аппарат поверхностной силы использует пьезоэлектрические элементы позиционирования (в дополнение к обычным двигателям для грубой регулировки) и определяет расстояние между поверхностями с помощью оптической интерферометрии . ^{[ 6 ]} Используя эти чувствительные элементы, устройство может определять расстояния с точностью до 0,1 нанометра и силу на расстоянии 10 нанометров. ⁻⁸ Н. Уровень Этот чрезвычайно чувствительный метод можно использовать для измерения электростатических сил, неуловимых сил Ван-дер-Ваальса и даже сил гидратации или сольватации. SFA в некотором смысле похож на использование атомно-силового микроскопа для измерения взаимодействия между наконечником (или молекулой, адсорбированной на наконечнике) и поверхностью. Однако SFA более идеально подходит для измерения взаимодействий между поверхностями, может более точно измерять силы гораздо более дальнего действия и хорошо подходит для ситуаций, когда большое время релаксации играет роль (упорядочение, высокая вязкость, коррозия). Метод SFA весьма требователен, тем не менее, лаборатории по всему миру приняли этот метод как часть своего оборудования для исследований поверхности.

В методе SFA две гладкие цилиндрически изогнутые поверхности, цилиндрические оси которых расположены под углом 90° друг к другу, заставляют приближаться друг к другу в направлении, нормальном к осям. Расстояние между поверхностями в точке наибольшего сближения варьируется от нескольких микрометров до нескольких нанометров в зависимости от аппарата. Когда два изогнутых цилиндра имеют одинаковый радиус кривизны R , эта геометрия так называемых «скрещенных цилиндров» математически эквивалентна взаимодействию между плоской поверхностью и сферой R. радиуса Использование геометрии скрещенных цилиндров существенно 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 предполагает R = 1 см.

Измерения положения обычно выполняются с использованием многолучевой интерферометрии (MBI). Прозрачные поверхности перпендикулярных цилиндров, обычно слюды, перед установкой на стеклянные цилиндры покрываются материалом с высокой отражающей способностью, обычно серебром. Когда источник белого света светится перпендикулярно перпендикулярным цилиндрам, свет будет отражаться взад и вперед, пока не передастся туда, где поверхности расположены ближе всего. Эти лучи создают интерференционную картину, известную как полосы равного хроматического порядка (FECO), которую можно наблюдать в микроскоп. Расстояние между двумя поверхностями можно определить путем анализа этих закономерностей. Слюда используется потому, что она чрезвычайно плоская, с ней легко работать и она оптически прозрачна. Любой другой представляющий интерес материал или молекула может быть нанесена на слой слюды или адсорбирована на него.

Метод прыжка

При 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» в контакте 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 и 20 нм друг от друга. ^{[ 6 ]}

Резонансный метод

Метод прыжка затруднен в исполнении главным образом из-за неучтенных вибраций, поступающих в прибор. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи разработали резонансный метод, который измеряет поверхностные силы на больших расстояниях, от 10 до 130 нм. При этом нижний цилиндр колеблется с известной частотой, а частота верхнего цилиндра измеряется с помощью пьезоэлектрического биморфного тензодатчика. Чтобы свести к минимуму увлажнение окружающей средой, эти измерения изначально проводились в вакууме. ^{[ 6 ]}

Режим растворителя

Ранние эксперименты измеряли силу между слюды поверхностями в воздухе или вакууме . ^{[ 6 ]} Однако этот метод был расширен, чтобы обеспечить возможность произвольного пара или растворителя между двумя поверхностями. введения ^{[ 7 ]} Таким образом можно тщательно исследовать взаимодействия в различных средах и настраивать диэлектрическую проницаемость зазора между поверхностями. Более того, использование воды в качестве растворителя позволяет измерять взаимодействия между биологическими молекулами (такими как липиды в биологических мембранах или белки ) в их естественной среде. В среде растворителей 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

Совсем недавно 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

Измерения силы SFA основаны в первую очередь на законе Гука .

$F=kx$

где F — восстанавливающая сила пружины, k — жесткость пружины, а x — смещение пружины.

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

$\Delta F(x)=k(\Delta x_{applied}-\Delta x_{measured})$

где ${\textstyle \Delta x_{applied}}$ - это изменение смещения, приложенное микрометром, и $\Delta x_{measured}$ - это изменение смещения, измеренное с помощью интерферометрии.

Жесткость пружины может варьироваться от $30\times 10^{5}{\frac {N}{m}}$ к $5\times 10^{5}{\frac {N}{m}}$ . ^{[ 2 ]} При измерении более высоких сил будет использоваться пружина с более высокой жесткостью.

См. также

Ссылки

^ ООО «Дом-СурФорс» . ООО «СурФорс» . Проверено 26 октября 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б Исраэлачвили Дж.; Мин, Ю; Акбулут, М; Алиг, А; Карвер, Дж; Грин, Вт; Кристиансен, К; Мейер, Э; Песика, Н; Розенберг, К; Цзэн, Х (2010). «Последние достижения в технике надводных сил (SFA)». Отчеты о прогрессе в физике . 73 (3): 036601. Бибкод : 2010RPPh...73c6601I . дои : 10.1088/0034-4885/73/3/036601 . ISSN 0034-4885 . S2CID 53958134 .
^ Табор, Д.; Винтертон, RHS (30 сентября 1969 г.). «Прямое измерение нормальных и запаздывающих сил Ван дер Ваальса». Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 312 (1511): 435–450. Бибкод : 1969RSPSA.312..435T . дои : 10.1098/rspa.1969.0169 . S2CID 96200833 .
^ Исраэлачвили, Дж. Н.; Адамс, GE (26 августа 1976 г.). «Прямое измерение дальнодействующих сил между двумя поверхностями слюды в водных растворах KNO3». Природа . 262 (5571): 774–776. Бибкод : 1976Natur.262..774I . дои : 10.1038/262774a0 . S2CID 4170776 .
^ Исраэлачвили Дж.; Мин, Ю; Акбулут, М; Алиг, А; Карвер, Дж; Грин, Вт; Кристиансен, К; Мейер, Э; Песика, Н. (27 января 2010 г.). «Последние достижения в технике надводных сил (SFA)». Отчеты о прогрессе в физике . 73 (3): 036601. Бибкод : 2010RPPh...73c6601I . дои : 10.1088/0034-4885/73/3/036601 . ISSN 0034-4885 . S2CID 53958134 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Исраэлачвили, Дж. Н.; Табор, Д. (21 ноября 1972 г.). «Измерение дисперсионных сил Ван-дер-Ваальса в диапазоне от 1,5 до 130 нм». Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 331 (1584): 19–38. Бибкод : 1972RSPSA.331...19I . дои : 10.1098/rspa.1972.0162 . ISSN 1364-5021 . S2CID 202575114 .
^ Исраэлачвили, Дж. Н.; Адамс, GE (26 августа 1976 г.). «Прямое измерение дальнодействующих сил между двумя поверхностями слюды в водных растворах KNO3». Природа . 262 (5571): 774–776. Бибкод : 1976Natur.262..774I . дои : 10.1038/262774a0 . S2CID 4170776 .
^ Автор (2002). «Новый аппарат поверхностных сил для нанореологии» (PDF) . Обзор научных инструментов . 73 (6): 2296. Бибкод : 2002RScI...73.2292R . дои : 10.1063/1.1476719 . {{cite journal}}: |last1= имеет общее имя ( справка )

Дальнейшее чтение

[1] ООО «Дом-СурФорс» . ООО «СурФорс» . Проверено 26 октября 2018 г.

[IsraelachviliMin2010-2] Jump up to: ^а ^б Исраэлачвили Дж.; Мин, Ю; Акбулут, М; Алиг, А; Карвер, Дж; Грин, Вт; Кристиансен, К; Мейер, Э; Песика, Н; Розенберг, К; Цзэн, Х (2010). «Последние достижения в технике надводных сил (SFA)». Отчеты о прогрессе в физике . 73 (3): 036601. Бибкод : 2010RPPh...73c6601I . дои : 10.1088/0034-4885/73/3/036601 . ISSN 0034-4885 . S2CID 53958134 .

[3] Табор, Д.; Винтертон, RHS (30 сентября 1969 г.). «Прямое измерение нормальных и запаздывающих сил Ван дер Ваальса». Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 312 (1511): 435–450. Бибкод : 1969RSPSA.312..435T . дои : 10.1098/rspa.1969.0169 . S2CID 96200833 .

[4] Исраэлачвили, Дж. Н.; Адамс, GE (26 августа 1976 г.). «Прямое измерение дальнодействующих сил между двумя поверхностями слюды в водных растворах KNO3». Природа . 262 (5571): 774–776. Бибкод : 1976Natur.262..774I . дои : 10.1038/262774a0 . S2CID 4170776 .

[5] Исраэлачвили Дж.; Мин, Ю; Акбулут, М; Алиг, А; Карвер, Дж; Грин, Вт; Кристиансен, К; Мейер, Э; Песика, Н. (27 января 2010 г.). «Последние достижения в технике надводных сил (SFA)». Отчеты о прогрессе в физике . 73 (3): 036601. Бибкод : 2010RPPh...73c6601I . дои : 10.1088/0034-4885/73/3/036601 . ISSN 0034-4885 . S2CID 53958134 .

[:0-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Исраэлачвили, Дж. Н.; Табор, Д. (21 ноября 1972 г.). «Измерение дисперсионных сил Ван-дер-Ваальса в диапазоне от 1,5 до 130 нм». Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 331 (1584): 19–38. Бибкод : 1972RSPSA.331...19I . дои : 10.1098/rspa.1972.0162 . ISSN 1364-5021 . S2CID 202575114 .

[7] Исраэлачвили, Дж. Н.; Адамс, GE (26 августа 1976 г.). «Прямое измерение дальнодействующих сил между двумя поверхностями слюды в водных растворах KNO3». Природа . 262 (5571): 774–776. Бибкод : 1976Natur.262..774I . дои : 10.1038/262774a0 . S2CID 4170776 .

[8] Автор (2002). «Новый аппарат поверхностных сил для нанореологии» (PDF) . Обзор научных инструментов . 73 (6): 2296. Бибкод : 2002RScI...73.2292R . дои : 10.1063/1.1476719 . {{cite journal}}: |last1= имеет общее имя ( справка )

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]