表面力装置

表面力測定装置（SFA ）は、2つの表面を近づけたり引っ込めたりするときに、複数の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の変形を観察する科学機器です。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、発揮される力を計算しま^[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改良し、特に水溶液で動作するようにしました^{[4] 。さらに、}カリフォルニア大学サンタバーバラ校在学中に、摩擦と電気化学表面の研究をサポートするためにこの技術を進化させました^[5]。

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、光干渉法を使用し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、この装置は 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。この極めて高感度な技術は、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の測定に使用できます。SFA は、原子間力顕微鏡を使用してチップ（またはチップに吸着した分子）と表面の相互作用を測定する方法といくつかの点で似ています。ただし、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、円筒軸が互いに 90° に配置された 2 つの滑らかな円筒曲面を、軸に垂直な方向に互いに近づけます。最も接近した点での面間の距離は、装置に応じ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 つの曲がった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」ジオメトリは、平面と半径Rの球との間の相互作用と数学的に同等です。交差円筒ジオメトリを使用すると、位置合わせがはるかに簡単になり、さまざまな表面領域をテストして統計を改善できるほか、角度に依存する測定を行うこともできます。一般的なセットアップでは、R = 1 cm です。

位置測定は、通常、マルチビーム干渉法(MBI)を使用して行われます。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、通常は銀などの高反射性の材料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、表面が最も近接する場所で透過します。これらの光線は、等色次数縞 (FECO) と呼ばれる干渉パターンを作成し、顕微鏡で観察できます。2 つの表面間の距離は、これらのパターンを分析することで判断できます。雲母が使用されるのは、非常に平坦で、扱いやすく、光学的に透明であるためです。他の任意の材料または分子を雲母層にコーティングまたは吸着することができます。

ジャンプ法では、上部のシリンダーが一対のカンチレバー スプリングに取り付けられ、下部のシリンダーが上部のシリンダーに向かって持ち上げられます。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」して接触するポイントが来ます。この場合、測定は、シリンダーがジャンプする距離とスプリング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]

ジャンプ法は、主に計器に入力される想定外の振動が原因で実行が困難です。これを克服するために、研究者は10nmから130nmの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、これらの測定はもともと真空中で行われていました。^[6]

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。

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相互作用を決定しています。^[8]

SFAの力の測定は主にフックの法則に基づいている。

${\displaystyle F=kx}$

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。

片持ちばねを使用して、下面を微細マイクロメータまたはピエゾチューブを使用して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。

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

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。 ${\textstyle \Delta x_{\text{適用済み}}}$${\displaystyle \Delta x_{\text{measured}}}$

バネ定数はからの範囲になります。[ ^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。 ${\displaystyle 30\times 10^{5}{\frac {N}{m}}}$${\displaystyle 5\times 10^{5}{\frac {N}{m}}}$

• 原子間力顕微鏡
• コロイドプローブ技術

• 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 線表面力装置: 閉じ込められた薄いスメクチック液晶フィルムの構造」サイエンス 1994 年 6 月 24 日: 第 264 巻、第 5167 号、1915 - 1918 ページ
• 「X線回折と直接法線力および横力測定を同時に行うX線表面力装置」Review of Scientific Instruments、73 (6):2486-2488 (2002)。