表面力儀(SFA)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

闡明結(jié)構(gòu)和相互作用是材料科學(xué)中最基本的方法。有許多工具可以表征結(jié)構(gòu)，但由于缺乏適當(dāng)?shù)谋碚骷夹g(shù)以及多個(gè)原子和分子系統(tǒng)相互作用的復(fù)雜性，研究者對(duì)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(qiáng)大工具。事實(shí)上，該技術(shù)可追溯至1930年代，以證明量子力學(xué)預(yù)測的色散力。在20世紀(jì)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(shí)現(xiàn)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(kuò)展到膠體穩(wěn)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(jié)果顯示，由于限制在云母表面之間的液體分子的層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了意想不到的振蕩力，為我們對(duì)表面相互作用的理解提供了新的線索。分子組裝化學(xué)在類似的時(shí)間蓬勃發(fā)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(tuán)之間的相互作用，為兩親性組裝體提供了物理和化學(xué)基礎(chǔ)。

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(fā)生的未知現(xiàn)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(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)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(yōu)點(diǎn)：

通過構(gòu)造簡單的樣品模型解釋復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能。

獲取包含有關(guān)界面特性及其變化的信息。如，在帶電表面和電解質(zhì)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(tǒng)X射線和/或中子反射方法都需要大型設(shè)施和模型數(shù)據(jù)分析。

被監(jiān)測表面的尺寸可以很大，即數(shù)十微米的接觸直徑。使實(shí)驗(yàn)過程能夠同時(shí)測量許多分子的相互作用。當(dāng)使用AFM探針時(shí)，多個(gè)分子之間的相互作用在實(shí)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(shí)驗(yàn)示意圖。AFM懸臂和表面之間的相對(duì)距離由光電二極管中激光的位移決定。根據(jù)胡克定律，通過檢測AFM探針懸臂和表面之間的主導(dǎo)力對(duì)懸臂的偏轉(zhuǎn)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(gè)表面之間的絕對(duì)距離是通過等色階條紋(FECO)來計(jì)算的。然后根據(jù)胡克定律，通過考慮計(jì)算距離和正常距離之間的差異（沒有彈簧偏轉(zhuǎn)）來測量力。