Беттік Күштер Аппараты: Өзара әрекеттесуді зерттеу құралы
Surface forces apparatus
Беттік күштер аппараты (SFA) – екі беткей арасындағы күштерді өлшейтін ғылыми құрал. Жақын арадағы әрекеттесу, деформация, үйкеліс зерттеуге қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Үстіңгі күш аппараты (SFA) – екі беттің өзара әсерлесу күшін өлшейтін ғылыми құрал. Ол екі бетті жақындастыру және алыстату арқылы, беттердің арақашықтығын бақылап, тікелей контактілік аймақты өлшеу және контактілік аймақта болатын бет деформацияларын анықтау үшін көп сәулелі интерферометрияны пайдаланады. Бір бет консольді серіппемен бекітіледі, ал серіппенің иілуі қолданылатын күшті есептеу үшін қолданылады. Бұл техниканы Дэвид Табор және Р.Х.С. Винтертон 1960 жылдардың соңында Кембридж университетінде алғаш рет қолданды. 1970 жылдардың ортасында Дж.Н. Исраилаечвили бастапқы құрылымды сұйықтықтарда, әсіресе сулы ерітінділерде жұмыс істеуге бейімдеді. Австралия Ұлттық университетінде жұмыс істеген ол, Калифорния Санта-Барбара университетінде үйкеліс және электрохимиялық беттерді зерттеуге қолдау көрсету үшін бұл техниканы одан әрі жетілдірді.
The Surface Force Apparatus (SFA) is a scientific instrument which measures the interaction force of two surfaces as they are brought together and retracted using multiple beam interferometry to monitor surface separation and directly measure contact area and observe any surface deformations occurring in the contact zone. One surface is held by a cantilevered spring, and the deflection of the spring is used to calculate the force being exerted. The technique was pioneered by David Tabor and R. H. S. Winterton in the late 1960s at Cambridge University. By the mid 1970s, J. N. Israelachvili had adapted the original design to operate in liquids, notably aqueous solutions, while at the Australian National University, and further advanced the technique to support friction and electro chemical surface studies while at the University of California Santa Barbara.
Операция
Жүстік күш аппараты пьезоэлектрлік орналасу элементтерін (ірі түзетулер үшін дәстүрлі моторлармен қатар) пайдаланады және беттер арасындағы қашықтықты оптикалық интерферометрия арқылы анықтайды.
A Surface Force Apparatus uses piezoelectric positioning elements (in addition to conventional motors for coarse adjustments), and senses the distance between the surfaces using optical interferometry.
Резонанстық әдіс
Секіру әдісін орындау қиын, себебі құралға түсетін ескерілмеген дірілдерге байланысты. Бұл қиындықты жеңу үшін зерттеушілер резонанстық әдісті әзірледі, ол 10 нм-ден 130 нм-ге дейінгі қашықтықтағы беттік күштерді өлшейді. Бұл жағдайда төменгі цилиндр белгілі жиілікте қозғалады, ал жоғарғы цилиндрдің жиілігі пьезоэлектрлік биморфты деформация сенсорымен өлшенеді. Қоршаған ортаның әсерін азайту үшін бұл өлшеулер бастапқыда вакуумде жүргізілді. Осылайша, әртүрлі орталардағы өзара әрекеттесулерді мұқият зерттеп, беттер арасындағы кеңістіктің диэлектрлік тұрақтылығын реттеуге болады. Сонымен қатар, суды еріткіш ретінде қолдану биологиялық молекулалардың (мысалы, биологиялық мембраналардағы липидтер немесе ақуыздар) өзара әрекеттесуін олардың табиғи ортасында өлшеуге мүмкіндік береді. Еріткіш ортада SFA еріткіш молекулаларының жеке қабаттарының жиналуынан туындайтын тербелістік еріткіш және құрылымдық күштерді де өлшеуге болады. Бұған қоса, ол электролиттері бар сулы ортада зарядталған беттер арасындағы электростатикалық "қос қабат" күштерін өлшеуге мүмкіндік береді.
The jump method is difficult to execute mainly due to unaccounted vibrations entering the instrument. To overcome this, researchers developed the resonance method which measured surface forces at larger distances, 10 nm to 130 nm. In this case, the bottom cylinder is oscillated at a known frequency, while the frequency of the top cylinder is measured using a piezoelectric bimorph strain gauge. To minimize the dampening due to the surrounding substance, these measurements were originally done in a vacuum. In this way, interactions in various media can be carefully probed, and the dielectric constant of the gap between the surfaces can be tuned. Moreover, use of water as a solvent enables the measurement of interactions between biological molecules (such as lipids in biological membranes or proteins) in their native environment. In a solvent environment, SFA can even measure the oscillatory solvation and structural forces arising from the packing of individual layers of solvent molecules. It can also measure the electrostatic 'double layer' forces between charged surfaces in an aqueous medium with electrolyte.
Динамикалық режим
SFA соңғы уақыттарда динамикалық өлшемдерді жүргізуге мүмкіндік беру үшін кеңейтілді, осы арқылы сұйықтықтардың тұтқыр және тұтқыр-эластикалық қасиеттерін, беттердің үйкелістік және трибологиялық қасиеттерін, сондай-ақ биологиялық құрылымдардың уақытқа байланысты өзара әрекеттесуін анықтауға болады.
The SFA has more recently been extended to perform dynamic measurements, thereby determining viscous and viscoelastic properties of fluids, frictional and tribological properties of surfaces, and the time dependent interaction between biological structures.