표면력 장치

현재의 표면력 장치.표시된 모델은 SFA ^[1]2000입니다.

표면력 장치(SFA)는 표면 분리를 모니터링하고 접촉 면적을 직접 측정하며 접촉 구역에서 발생하는 표면 변형을 관찰하기 위해 다중 빔 간섭계를 사용하여 두 표면의 상호 작용력을 측정하는 과학 장비입니다.한쪽 표면은 캔틸레버 스프링으로 유지되며 스프링의 편향은 가해지는 ^[2]힘을 계산하기 위해 사용된다.이 기술은 1960년대 후반 케임브리지 대학의 ^[3]데이비드 태버와 R.H.S. 윈터턴에 의해 개척되었다.1970년대 중반까지 J.N. Israelachvili는 ^[4]호주 국립대학에서 액체, 특히 수용액에서 작동하도록 원래 설계를 수정했으며 캘리포니아 대학 산타 바바라에서 마찰 및 전기 화학 표면^[5] 연구를 지원하는 기술을 더욱 발전시켰다.

작동

표면력장치는 압전위치결정소자(기존의 거친 조정용 모터에 더해)를 사용하여 광학 간섭계를 ^[6]사용하여 표면 간의 거리를 감지한다.이 민감한 요소를 사용하여 0.1나노미터 이내의 거리 및 10N 수준의 힘을⁻⁸ 해결할 수 있습니다.이 매우 민감한 기술은 정전력, 포착하기 어려운 판데르발스력, 그리고 수화력 또는 용매력을 측정하는데 사용될 수 있습니다.SFA는 어떤 면에서 원자력 현미경을 사용하여 팁(또는 팁에 흡착된 분자)과 표면 사이의 상호작용을 측정하는 것과 유사하다.그러나 SFA는 표면-표면 상호작용 측정에 보다 이상적이며 훨씬 더 정확하게 장거리 힘을 측정할 수 있으며 긴 완화 시간이 작용하는 상황(질서, 고점도, 부식)에 적합합니다.SFA 기술은 상당히 까다롭지만, 전 세계 연구소는 표면 과학 연구 기구의 일부로 이 기술을 채택했습니다.

SFA는 원통축이 서로 90° 위치하는 2개의 매끄러운 원통형 곡면을 축과 직교하는 방향으로 접근시킨다.가장 가까운 지점에서 표면 사이의 거리는 장치에 따라 수 마이크로미터에서 수 나노미터까지 다양합니다.두 개의 곡선 실린더가 동일한 곡률 반지름 R을 가질 때, 이른바 '교차 실린더' 기하학은 수학적으로 평탄한 표면과 반지름 R의 구 사이의 상호작용과 동등합니다.교차된 실린더 형상을 사용하면 정렬이 훨씬 쉬워지고, 더 나은 통계를 위해 다양한 표면 영역을 테스트할 수 있으며, 각도 의존적인 측정도 가능합니다.일반적인 설정에는 R = 1cm가 포함됩니다.

기하학적으로 동등한 모델을 사용하여 다양한 레이어를 보여주는 SFA 설정 예.

위치 측정은 일반적으로 MBI(Multiple Beam Interferometry)를 사용하여 이루어집니다.수직 실린더의 투명한 표면(일반적으로 운모)은 유리 실린더에 장착되기 전에 일반적으로 은색 반사율이 높은 재료로 뒷받침됩니다.백색 광원이 수직 실린더에 대해 정상적으로 비추면 표면이 가장 가까운 곳으로 전송될 때까지 빛이 앞뒤로 반사됩니다.이러한 광선은 현미경으로 관찰할 수 있는 등색순서(FECO)로 알려진 간섭 패턴을 형성합니다.두 표면 사이의 거리는 이러한 패턴을 분석하여 결정할 수 있습니다.마이카는 매우 평평하고 사용하기 쉬우며 광학적으로 투명하기 때문에 사용됩니다.다른 모든 관심 물질 또는 분자는 운모층에 코팅되거나 흡착될 수 있습니다.

점프 방식

점프방법은 상단 실린더를 한 쌍의 캔틸레버 스프링에 장착하고 하단 실린더를 상단 실린더를 향해 상승시킨다.하단 실린더가 상부에 접근하는 동안 서로 "점프"하는 지점이 있습니다.이 경우, 측정은 점프한 거리와 스프링 상수에 기초한다.이러한 측정치는 일반적으로 1.25nm와 20nm ^[6]사이의 표면 사이에 있습니다.

공명법

점프 방법은 주로 계측기에 유입되는 원인 불명의 진동 때문에 실행이 어렵습니다.이를 극복하기 위해 연구자들은 10nm에서 130nm까지 더 먼 거리에서 표면력을 측정하는 공명법을 개발했다.이 경우 하부 실린더는 알려진 주파수로 진동하고 상부 실린더의 주파수는 압전 바이몰프 스트레인 게이지를 사용하여 측정된다.주변 물질로 인한 습기를 최소화하기 위해 이러한 측정은 원래 ^[6]진공 상태에서 수행되었습니다.

솔벤트 모드

초기 실험은 공기 또는 ^[6]진공에서 운모 표면 사이의 힘을 측정했습니다.그러나 이 기술은 두 ^[7]표면 사이에 임의의 증기 또는 용제를 도입할 수 있도록 확장되었습니다.이것에 의해, 각종 매체의 상호작용을 주의 깊게 조사할 수 있어 표면간의 틈새의 유전율을 조정할 수 있다.게다가 물을 용매로 사용하면 생물 분자(생물막이나 단백질의 지질 등) 간의 상호작용을 측정할 수 있다.용매 환경에서 SFA는 용매 분자의 개별 층의 패킹에서 발생하는 진동 용매화 및 구조력을 측정할 수도 있다.또한 전해질이 함유된 수성 매체에서 대전된 표면 사이의 정전 '이층' 힘을 측정할 수 있습니다.

다이내믹 모드

SFA는 최근 동적 측정을 수행하도록 확장되어 유체의 점성 및 점탄성 특성, 표면의 마찰 및 트라이볼로지 특성, 생물학적 구조 ^[8]간의 시간 의존적 상호작용을 결정한다.

이론.

SFA의 힘 측정은 주로 후크의 법칙에 기초한다.

$F=kx$

여기서 F는 스프링의 복원력, k는 스프링 상수, x는 스프링의 변위입니다.

캔틸레버 스프링을 사용하여 미세 마이크로미터 또는 피에조튜브를 사용하여 하단 표면을 상단 표면으로 향하게 합니다.두 표면 사이의 힘은 다음과 같이 측정됩니다.

$\displaystyle \Delta F(x)=k(\Delta x_{적용}-\Delta x_{display})}$

여기서 ${\textstyle \Delta x_{applied}}$ ${\textstyle \Delta x_{applied}}$ ${\textstyle \Delta x_{applied}}$ ${\textstyle \Delta x_{applied}}$ ${\textstyle \Delta x_{applied}}$ ${\textstyle \Delta x_{applied}}$ ${\textstyle \Delta x_{applied}}$ \ \ $textstyle$ \ $Delta$ x _ { $applicated$ }는 ${\textstyle \Delta x_{applied}}$ $\Delta x_{measured}$ 마이크로미터에 의해 적용된 변위 변화량이고 $\Delta x_{measured}$ x $\Delta x_{measured}$ e $\Delta x_{measured}$ $\Delta x_{measured}$ $\Delta x_{measured}$ r e d \ $displaystyle$ \ $Delta$ x _ { $measurasured$ }는 간섭계에 의해 측정된 변위 변화량입니다.

스프링 상수의 범위는 30 $30\times 10^{5}{\frac {N}{m}}$ × $30\times 10^{5}{\frac {N}{m}}$ $30\times 10^{5}{\frac {N}{m}}$ {\ $displaystyle$ 30 $\times 10^{m}}$ ~ $5\times 10^{5}{\frac {N}{m}}$ × $5\times 10^{5}{\frac {N}{m}}$ $(\$ 5 $\times$ 10 $^{5}{\frac {N}{m$ ^[2]입니다 $30\times 10^{5}{\frac {N}{m}}$ . 더 높은 힘을 측정할 때는 더 높은 스프링 상수가 사용됩니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ "Home - SurForce LLC". SurForce LLC. Retrieved 2018-10-26.
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추가 정보

[1] "Home - SurForce LLC". SurForce LLC. Retrieved 2018-10-26.

[IsraelachviliMin2010-2] Israelachvili, J; Min, Y; Akbulut, M; Alig, A; Carver, G; Greene, W; Kristiansen, K; Meyer, E; Pesika, N; Rosenberg, K; Zeng, H (2010). "Recent advances in the surface forces apparatus (SFA) technique". Reports on Progress in Physics. 73 (3): 036601. Bibcode:2010RPPh...73c6601I. doi:10.1088/0034-4885/73/3/036601. ISSN 0034-4885. S2CID 53958134.

[3] Tabor, D.; Winterton, R. H. S. (30 September 1969). "The Direct Measurement of Normal and Retarded van der Waals Forces". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 312 (1511): 435–450. Bibcode:1969RSPSA.312..435T. doi:10.1098/rspa.1969.0169. S2CID 96200833.

[4] Israelachvili, J. N.; Adams, G. E. (26 August 1976). "Direct measurement of long range forces between two mica surfaces in aqueous KNO3 solutions". Nature. 262 (5571): 774–776. Bibcode:1976Natur.262..774I. doi:10.1038/262774a0. S2CID 4170776.

[5] Israelachvili, J; Min, Y; Akbulut, M; Alig, A; Carver, G; Greene, W; Kristiansen, K; Meyer, E; Pesika, N (2010-01-27). "Recent advances in the surface forces apparatus (SFA) technique". Reports on Progress in Physics. 73 (3): 036601. Bibcode:2010RPPh...73c6601I. doi:10.1088/0034-4885/73/3/036601. ISSN 0034-4885. S2CID 53958134.

[:0-6] Israelachvili, J. N.; Tabor, D. (1972-11-21). "The Measurement of Van Der Waals Dispersion Forces in the Range 1.5 to 130 nm". Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 331 (1584): 19–38. Bibcode:1972RSPSA.331...19I. doi:10.1098/rspa.1972.0162. ISSN 1364-5021. S2CID 202575114.

[7] Israelachvili, J. N.; Adams, G. E. (1976-08-26). "Direct measurement of long range forces between two mica surfaces in aqueous KNO3 solutions". Nature. 262 (5571): 774–776. Bibcode:1976Natur.262..774I. doi:10.1038/262774a0. S2CID 4170776.

[8] Author (2002). "A new surface forces apparatus for nanorheology" (PDF). Review of Scientific Instruments. 73 (6): 2296. Bibcode:2002RScI...73.2292R. doi:10.1063/1.1476719. {{cite journal}}: last1=범용명(도움말)이 있습니다.

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