表面力仪技术及其应用

Surface Forces Apparatus(SFA) Technique

SFA在了解表界面间的相互作用中做出了许多贡献，半个世纪以来广泛应用于各领域的研究，例如，配体-受体相互作用，贻贝启发的粘附机制，脂质双分子层，电化学表面力，以及润滑与磨损等。

SFA通常使用交叉圆柱进行操作。首先，它规避了准确对齐两个平行板的困难，从而避免不必要的边缘效应；其次，可以通过横向移动圆柱体来研究相同表面上不同的接触点。如果在实验过程中出现表面的磨损或污染，则可以很容易地找到新的接触区；最后，该几何形状方便地将测量结果与通常用于平坦表面的理论模型进行比较。

如果弯曲表面之间的距离D比其曲率半径R小得多，则通过Derjaguin近似，等效于球体与平面的接触。两个这样的表面之间的力F可能与每单位面积E的平坦表面之间的相互作用能量有关，即 E =F/2πr。这提供了一种归一化方法，以定量比较来自不同实验的数据。

一般地，SFA使用云母作为基底，因为它可以将其裂解成具有原子光滑表面的均匀厚的间隔层。SFA 技术的主要优势之一在于可以对接触区域进行成像以确定表面之间的距离、限制在它们之间的薄膜的折射率以及接触区域的几何形状。因此成为了摩擦学领域中少数能够原位实时成像接触区域几何形状的技术之一，并且具有亚纳米分辨率的技术。多光束干涉仪(MBI)用于此目的。高反射层沉积在云母表面的背面，白光通过这个干涉结构。两个反射镜之间的分层介质传输的光的强度取决于光学厚度：只有在腔中的多次反射之后相长干涉的波长才能穿过多层系统。然后可以将出现的光束聚焦在光谱仪上。由此产生的相长干涉条纹（等色序条纹，FECO）携带着关于光路中不同层的厚度和折射率的信息。特别是，限制在云母表面之间的薄膜的厚度和折射率可以分别以0.1 nm和0.01的精度确定。Jocab Israelachvili开发了简单的表达式，从FECO的波长计算这些数量，用于限制在相同厚度的云母表面之间的薄膜。后来，分析已扩展到不对称、吸附、各向异性或更复杂的多层系统。扩展分析以获取有关表面粗糙度的信息的潜力也已得到证实。

典型SFA实验中的法向相互作用力，其中一个表面使用电机/压电元件的进行驱动，而另一个表面则连接到带有固定端的校准弹簧。通过逐渐改变双悬臂弹簧的固定端与另一表面之间的距离来测量相互作用力，并使表面之间的分离达到平衡状态。位移与表面之间的间距的实际变化之间的差异，ΔD由MBI测量。

在摩擦学实验中，云母表面达到一定的间隔T。通过在表面之间施加横向位移，并测量由该位移引起的力。通常施加一定的法向载荷L。如果载荷足够高，则表面下的胶层会发生弹性变形，薄膜被限制在均匀厚度T和接触面积A的平坦圆形区域。通过使用MBI，可以在滑动表面时获得接触表面的图像，从而可以监控接触区域的大小和轮廓以及表面之间的距离。剪切引起的弹性流体动力变形也可以区分。此外，一旦发生表面损坏，就可以很容易地检测到它，从而可以区分未损坏的滑动和磨损摩擦，并独立研究这两种情况。

使用SFA与其他直接表面力测量（例如，AFM和全反射显微镜TRM）相比具有以下几个优点：

表面力响应于界面特性敏感地变化，因此力分布包含有关界面特性及其从表面到本体/液体变化的信息。简单的情况是(1)在带电表面和电解质溶液之间的界面处形成的双电层，以及(2)聚合物吸附层的空间排斥。表面力测量直接监控这些特性，表征它们的替代方法是X射线和/或中子反射方法，但都需要大型设施和模型数据分析。SFA测量简单、直接且紧凑。

使用SFA进行测量的另一个重要特征是可以监测大尺寸表面的作用，即数十个微米的接触直径，能够同时测量许多分子的相互作用。当使用力探针的原子力显微镜进行单分子测量时，实际材料中常见的多个分子之间的相互作用不一定能被单分子相互作用的总和来描述。SFA测量与由许多分子和/或处于凝聚态的真实系统密切相关。例如对聚电解质刷层的研究——揭示了它们的集体特性和依赖于密度的转变。