Ytkraftsapparat

En aktuell ytkraftsapparat. Modellen som visas är SFA 2000.

Surface Force Apparatus ( SFA ) är ett vetenskapligt instrument som mäter interaktionskraften hos två ytor när de förs samman och dras tillbaka med hjälp av multipelstråleinterferometri för att övervaka ytseparation och direkt mäta kontaktyta och observera eventuella ytdeformationer som uppstår i kontaktzonen . En yta hålls av en fribärande fjäder och fjäderns avböjning används för att beräkna kraften som utövas. Tekniken var pionjärer av David Tabor och RHS Winterton i slutet av 1960-talet vid Cambridge University . I mitten av 1970-talet JN Israelachvili anpassat den ursprungliga designen för att fungera i vätskor, särskilt vattenlösningar, vid Australian National University , och vidareutvecklat tekniken för att stödja friktion och elektrokemiska ytstudier vid University of California Santa. Barbara .

Drift

En Surface Force Apparatus använder piezoelektriska positioneringselement (utöver konventionella motorer för grovjusteringar) och känner av avståndet mellan ytorna med hjälp av optisk interferometri . Med hjälp av dessa känsliga element kan enheten lösa avstånd inom 0,1 nanometer och krafter på 10 ⁻⁸ N -nivån. Denna extremt känsliga teknik kan användas för att mäta elektrostatiska krafter, svårfångade van der Waals-krafter och till och med hydratiserings- eller solvatiseringskrafter. SFA liknar på vissa sätt att använda ett atomkraftsmikroskop för att mäta interaktion mellan en spets (eller molekyl adsorberad på spetsen) och en yta. SFA är dock mer idealiskt lämpad för att mäta interaktioner mellan yta och yta, kan mäta krafter med mycket längre räckvidd mer exakt och är väl lämpad för situationer där långa relaxationstider spelar en roll (ordning, hög viskositet, korrosion). SFA-tekniken är ganska krävande, men labb över hela världen har anammat tekniken som en del av deras ytvetenskapliga forskningsinstrument.

I SFA, sätts två släta cylindriskt krökta ytor vars cylindriska axlar är placerade 90° mot varandra att närma sig varandra i en riktning vinkelrät mot axlarna. Avståndet mellan ytorna vid den närmaste platsen varierar mellan några mikrometer till några nanometer beroende på apparatur. När de två krökta cylindrarna har samma krökningsradie, R , är denna så kallade "korsade cylindrar" geometri matematiskt ekvivalent med interaktionen mellan en plan yta och en sfär med radie R . Att använda den korsade cylindergeometrin gör uppriktningen mycket enklare, möjliggör testning av många olika ytområden för bättre statistik och gör det också möjligt att göra vinkelberoende mätningar. En typisk installation involverar R = 1 cm.

Ett exempel på SFA-inställning som visar de olika lagren, med en geometriskt ekvivalent modell.

Positionsmätningar görs vanligtvis med hjälp av multipelstråleinterferometri ( MBI). De genomskinliga ytorna på de vinkelräta cylindrarna, vanligtvis glimmer, är täckta med ett mycket reflekterande material, vanligtvis silver, innan de monteras på glascylindrarna. När en vitljuskälla lyser vinkelrätt mot de vinkelräta cylindrarna reflekteras ljuset fram och tillbaka tills det sänds där ytorna är närmast. Dessa strålar skapar ett interferensmönster, känt som fransar av lika kromatisk ordning (FECO), som kan observeras med mikroskop. Avståndet mellan de två ytorna kan bestämmas genom att analysera dessa mönster. Glimmer används för att den är extremt platt, lätt att arbeta med och optiskt transparent. Alla andra material eller molekyler av intresse kan beläggas eller adsorberas på glimmerskiktet.

Hoppmetoden

I hoppmetoden monteras den övre cylindern på ett par fribärande fjädrar, medan den nedre cylindern förs upp mot den övre cylindern. Medan den nedre cylindern närmar sig toppen, kommer det en punkt då de kommer att "hoppa" i kontakt med varandra. Mätningarna, i detta fall, är baserade på avståndet från vilket de hoppar och fjäderkonstanten. Dessa mätningar är vanligtvis mellan ytor 1,25 nm och 20 nm från varandra.

Resonansmetoden

Hoppmetoden är svår att utföra, främst på grund av oförutsedda vibrationer som kommer in i instrumentet. För att övervinna detta utvecklade forskare resonansmetoden som mätte ytkrafter på större avstånd, 10 nm till 130 nm. I detta fall oscilleras den nedre cylindern med en känd frekvens, medan frekvensen för den övre cylindern mäts med hjälp av en piezoelektrisk bimorf töjningsmätare. För att minimera fukten på grund av det omgivande ämnet gjordes dessa mätningar ursprungligen i vakuum.

Lösningsmedelsläge

Tidiga experiment mätte kraften mellan glimmerytor i luft eller vakuum . Tekniken har dock utökats för att möjliggöra att en godtycklig ånga eller lösningsmedel införs mellan de två ytorna. På så sätt kan interaktioner i olika medier noggrant undersökas och dielektriska konstanten för gapet mellan ytorna kan avstämmas. Dessutom möjliggör användning av vatten som lösningsmedel mätning av interaktioner mellan biologiska molekyler (såsom lipider i biologiska membran eller proteiner ) i deras naturliga miljö. I en lösningsmedelsmiljö kan SFA till och med mäta den oscillerande solvatiseringen och strukturella krafter som uppstår från packningen av enskilda lager av lösningsmedelsmolekyler. Den kan också mäta de elektrostatiska "dubbelskiktskrafterna" mellan laddade ytor i ett vattenhaltigt medium med elektrolyt .

Dynamiskt läge

SFA har nyligen utvidgats till att utföra dynamiska mätningar, och därigenom bestämma viskösa och viskoelastiska egenskaper hos vätskor, friktions- och tribologiska egenskaper hos ytor och den tidsberoende interaktionen mellan biologiska strukturer.

Teori

Kraftmätningarna av SFA baseras främst på Hooke's Law ,

$F=kx$

där F är återställningskraften för en fjäder, k är fjäderkonstanten och x är fjäderns förskjutning.

Med hjälp av en fribärande fjäder förs den nedre ytan mot den övre ytan med en fin mikrometer eller piezorör. Kraften mellan de två ytorna mäts med

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

där ${\textstyle \Delta x_{applied}}$ är förändringen i förskjutning som tillämpas av mikrometern och $\Delta x_{measured}$ är förändringsförskjutningen mätt med interferometri.

Fjäderkonstanterna kan variera allt från $\displaystyle 30\times 10^{5}{\frac {N}{m}}}$ $5\times 10^ {5}{\frac {N}{m}}$ till . Vid mätning av högre krafter skulle en fjäder med högre fjäderkonstant användas.

Se även

Vidare läsning