表面力仪

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表面力仪(SFA)是一种科学仪器,它使用多光束干涉仪测量两个表面在结合和缩回时的相互作用力,以监测表面分离并直接测量接触面积并观察接触区域中发生的任何表面变形。一个表面由悬臂弹簧固定,弹簧的偏转用于计算施加的力。该技术由大卫·塔博尔(DavidTabor)和RHSWinterton于1960年代后期在剑桥大学首创。到1970年代中期,JNIsraelachvili已将原始设计调整为在液体,特别是水...

表面力仪

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表面力仪(SFA)是一种科学仪器,它使用多光束干涉仪测量两个表面在结合和缩回时的相互作用力,以监测表面分离并直接测量接触面积并观察接触区域中发生的任何表面变形。一个表面由悬臂弹簧固定,弹簧的偏转用于计算施加的力。该技术由大卫·塔博尔(DavidTabor)和RHSWinterton于1960年代后期在剑桥大学xxx。到1970年代中期,JNIsraelachvili已将原始设计调整为在液体,特别是水溶液中运行。

手术

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表面力装置使用压电定位元件(除了用于粗调的传统电机外),并使用光学干涉仪检测表面之间的距离。使用这些敏感元件,该设备可以将距离解析到0.1纳米以内,并在10-8N水平上施加力。这种极其灵敏的技术可用于测量静电力、难以捉摸的范德华力,甚至水合力溶剂化力。SFA在某些方面类似于使用原子显微镜来测量尖端(或吸附在尖端上的分子)与表面之间的相互作用。然而,表面力仪更适合测量表面-表面相互作用,可以更准确地测量更远距离的力,并且非常适合长弛豫时间起作用的情况(排序,高粘度,腐蚀)。SFA技术要求很高,然而,世界各地的实验室已采用该技术作为其表面科学研究仪器的一部分。在表面力仪中,使圆柱轴相互成90°的两个光滑圆柱曲面在垂直于轴的方向上相互接近的方法。在最接近点处的表面之间的距离根据设备在几微米到几纳米之间变化。当两个弯曲圆柱体具有相同的曲率半径R时,这种所谓的“交叉圆柱体”几何形状在数学上等效于平面和半径为R的球体之间的相互作用。使用交叉圆柱体几何形状可以更容易地对齐,可以测试许多不同的表面区域以获得更好的统计数据,还可以进行与角度相关的测量。典型设置涉及R=1cm。位置测量通常使用多光束干涉仪(MBI)进行。垂直圆柱体的透明表面,通常是云母,在安装到玻璃圆柱体之前,背衬着一种通常是银的高反射材料。当白光源垂直于垂直圆柱体照射时,光会来回反射,直到它在最接近表面的地方透射。这些光线会产生一种干涉图案,称为等色阶条纹(FECO),可以通过显微镜观察到。两个表面之间的距离可以通过分析这些图案来确定。使用云母是因为它非常平坦、易于使用且具有光学透明性。任何其他感兴趣的材料或分子都可以涂覆或吸附到云母层上。

跳跃法

跳跃方法中,顶部圆柱体安装在一对悬臂弹簧上,而底部圆柱体则朝向顶部圆柱体提起。当底部圆柱体接近顶部时,会出现一个点,它们会相互接触。在这种情况下,测量值基于它们跳跃的距离和弹簧常数。这些测量通常在相距1.25nm和20nm的表面之间进行。

共振法

跳跃法难以执行,主要是由于进入仪器的不明振动。为了克服这个问题,研究人员开发了一种共振方法,可以测量更远距离(10nm到130nm)的表面力。在这种情况下,底部圆柱体以已知频率振荡,而顶部圆柱体的频率使用压电双压电晶片应变仪测量。为了xxx限度地减少由于周围物质造成的阻尼,这些测量最初是在真空中进行的。

表面力仪

溶剂模式

早期的实验测量了空气或真空中云母表面之间的力。然而,该技术已得到扩展,可以在两个表面之间引入任意蒸汽或溶剂。通过这种方式,可以仔细探测各种介质中的相互作用,并且可以调整表面之间间隙的介电常数。此外,使用水作为溶剂可以测量生物分子(例如生物膜蛋白质中的脂质)在其原生环境中的相互作用。在溶剂环境中,SFA甚至可以测量由单个溶剂分子层堆积产生的振荡溶剂化和结构力。它还可以测量带电解质的水性介质中带电表面之间的静电“双层”力。

动态模式

表面力仪最近已扩展到执行动态测量,从而确定流体的粘性和粘弹性、表面的摩擦和摩擦特性以及生物结构之间的时间依赖性相互作用。

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  1. 表面力仪
  2. 手术
  3. 跳跃法
  4. 共振法
  5. 溶剂模式
  6. 动态模式

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