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?shù)谋碚骷夹g以及多個原子和分子系統(tǒng)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(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。結果顯示，由于限制在云母表面之間的液體分子的層結構產(chǎn)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(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(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(yōu)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(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(jù)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(jù)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。