表面力測定装置
現在の表面力測定装置。表示されているモデルはSFA 2000です。[1]

表面力装置( SFA ) は、2 つの表面を近づけたり引っ込めたりするときにそれらの表面の相互作用力を測定する科学機器です。多重ビーム干渉計を使用して表面の分離を監視し、接触面積を直接測定し、接触領域で発生する表面変形を観察できます。一方の表面は片持ちばねで保持され、ばねのたわみを使用して発揮される力が計算されます。[2]この技術は、 1960 年代後半にケンブリッジ大学でDavid Taborと RHS Wintertonによって初めて開発されました。[3] 1970 年代半ばまでに、JN Israelachvili はオーストラリア国立大学在学中に元の設計を液体、特に水溶液で動作するように改良し、[ 4]カリフォルニア大学サンタバーバラ校在学中にその技術をさらに発展させ、摩擦と電気化学表面研究をサポートしました[5]。

操作

表面力装置は、圧電位置決め素子（粗調整用の従来のモーターに加えて）を使用し、光干渉法を用いて表面間の距離を感知します。[6]これらの高感度素子を使用することで、装置は0.1ナノメートル以内の距離と10-8 Nレベルの力を測定できます。この非常に高感度な技術は、静電気力、捉えにくいファンデルワールス力、さらには水和力や溶媒和力を測定するために使用できます。SFAは、原子間力顕微鏡を使用して探針（または探針に吸着した分子）と表面間の相互作用を測定することにいくつかの点で似ています。しかし、SFAは表面間相互作用の測定により適しており、はるかに長距離の力をより正確に測定でき、長い緩和時間が影響する状況（秩序化、高粘度、腐食）に適しています。SFA技術は非常に要求が厳しいですが、世界中の研究室が表面科学研究機器の一部としてこの技術を採用しています

SFA法では、互いに90°の角度で円筒軸を持つ2つの滑らかな円筒曲面を、軸に垂直な方向に近づけます。最も接近した時点での面間の距離は、装置によって数マイクロメートルから数ナノメートルの範囲で変化します。2つの曲面円筒が同じ曲率半径Rを持つ場合、このいわゆる「交差円筒」形状は、平面と半径Rの球面との相互作用と数学的に等価です。交差円筒形状を使用すると、位置合わせがはるかに簡単になり、より正確な統計を得るために多くの異なる表面領域をテストできるほか、角度に依存する測定も可能になります。一般的なセットアップでは、R = 1 cmです。

幾何学的に等価なモデルを使用して、さまざまなレイヤーを示す SFA セットアップの例。

位置測定は通常、多光束干渉法（MBI）を用いて行われます。垂直シリンダーの透明な表面（通常は雲母）は、ガラスシリンダーに取り付けられる前に、反射率の高い材料（通常は銀）で裏打ちされています。白色光源を垂直シリンダーに垂直に照射すると、光は前後に反射し、最も表面が近い部分で透過します。これらの光線は、等色次数縞（FECO）と呼ばれる干渉縞を作り出し、顕微鏡で観察できます。これらのパターンを分析することで、2つの表面間の距離を測定できます。雲母が使用されるのは、非常に平坦で、加工しやすく、光学的に透明であるためです。雲母層には、他の任意の材料や分子をコーティングまたは吸着させることができます。

ジャンプ法

ジャンプ法では、上部のシリンダーを一対のカンチレバースプリングに取り付け、下部のシリンダーを上部のシリンダーに向かって持ち上げます。下部のシリンダーが上部に近づくと、シリンダー同士が「ジャンプ」して接触する点が来ます。この場合の測定は、シリンダーがジャンプする距離とバネ定数に基づいています。これらの測定は通常、1.25 nmから20 nm離れた表面間で行われます。[6]

共鳴法

ジャンプ法は、主に機器に入力される想定外の振動のために実行が困難です。これを克服するために、研究者たちは10nmから130nmというより長い距離で表面力を測定する共鳴法を開発しました。この場合、下部のシリンダーは既知の周波数で振動し、上部のシリンダーの周波数は圧電 バイモルフひずみゲージを使用して測定されます。周囲の物質による減衰を最小限に抑えるため、これらの測定は当初真空中で行われていました。[6]

溶媒モード

初期の実験では、空気中または真空中の雲母表面間の力を測定しました。[6]しかし、この技術は拡張され、任意の蒸気または溶媒を2つの表面の間に導入できるようになりました。[7]このようにして、さまざまな媒体での相互作用を注意深く調査し、表面間のギャップの誘電率を調整できます。さらに、水を溶媒として使用することで、生体分子（生体膜内の脂質やタンパク質など）間の相互作用をその本来の環境で測定できます。溶媒環境では、SFAは溶媒分子の個々の層のパッキングから生じる振動溶媒和力や構造力を測定することもできます。また、電解質を含む水性媒体内の帯電表面間の静電「二重層」力を測定することもできます。

動的モード

SFAは最近、動的測定を行うために拡張され、流体の粘性および粘弾性特性、表面の摩擦およびトライボロジー特性、および生物学的構造間の時間依存的な相互作用を決定しています。[8]

理論

SFAの力の測定は主にフックの法則に 基づいています

F ＝ k x {\displaystyle F=kx}

ここで、F はバネの復元力、k はバネ定数、x はバネの変位です。

片持ちばねを用いて、下面を微細マイクロメータまたはピエゾチューブで上面に向けて動かします。2つの表面間の力は次のように測定されます。

Δ F （ x ） ＝ k （ Δ x 適用 − Δ x 測定 ） {\displaystyle \Delta F(x)=k(\Delta x_{\text{適用}}-\Delta x_{\text{測定値}})}

ここで、 はマイクロメータによって適用される変位の変化であり、は干渉法によって測定される変位の変化です。 Δ x 適用 {\textstyle \Delta x_{\text{適用}}} Δ x 測定 {\displaystyle \Delta x_{\text{測定値}}}

バネ定数は～の範囲になります。[ 2]より大きな力を測定する場合は、より高いバネ定数を持つバネが使用されます。 30 × 10 5 北 メートル {\displaystyle 30\times 10^{5}{\frac {N}{m}}} 5 × 10 5 北 メートル {\displaystyle 5\times 10^{5}{\frac {N}{m}}}

参照

参考文献

  1. ^ 「Home - SurForce LLC」. SurForce LLC . 2018年10月26日閲覧。
  2. ^ ab Israelachvili, J; Min, Y; Akbulut, M; Alig, A; Carver, G; Greene, W; Kristiansen, K; Meyer, E; Pesika, N; Rosenberg, K; Zeng, H (2010). 「表面力装置（SFA）技術の最近の進歩」. 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, RHS (1969年9月30日). 「通常のファンデルワールス力と遅延ファンデルワールス力の直接測定」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, JN; Adams, GE (1976年8月26日). 「KNO3水溶液中における2つの雲母表面間の長距離力の直接測定」. 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). 「表面力装置（SFA）技術の最近の進歩」. Reports on Progress in Physics . 73 (3) 036601. Bibcode :2010RPPh...73c6601I. doi :10.1088/0034-4885/73/3/036601. ISSN  0034-4885. S2CID  53958134.
  6. ^ abcd Israelachvili, JN; Tabor, D. (1972-11-21). 「1.5～130 nmの範囲におけるファンデルワールス分散力の測定」. 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, JN; Adams, GE (1976-08-26). 「KNO3水溶液中における2つの雲母表面間の長距離力の直接測定」. Nature . 262 (5571): 774– 776. Bibcode :1976Natur.262..774I. doi :10.1038/262774a0. S2CID  4170776.
  8. ^ レスターニョ、フレデリック;クラッス、ジェローム。シャルレー、エリザベート。コタン・ビゾンヌ、セシル。ミシェル・モンシャナン（2002年6月1日）。 「ナノレオロジーのための新しい表面力装置」。科学機器のレビュー。73 (6): 2292–2297。書誌コード:2002RScI...73.2292R。土井：10.1063/1.1476719。

さらに詳しい情報

  • スイス連邦工科大学表面科学技術学部
  • オーストラリア国立大学物理科学工学研究科
  • 「X線表面力測定装置：閉じ込められたスメクティック液晶薄膜の構造」サイエンス誌 1994年6月24日 第264巻 第5167号 1915-1918頁
  • 「X線回折と法線力および横力の直接測定を同時に行うX線表面力測定装置」Review of Scientific Instruments, 73 (6):2486-2488 (2002).
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