Аппарат измерения сил поверхности: принципы и применение.
Surface forces apparatus
Аппарат измерения сил поверхности (SFA): принцип работы, применение в жидкостях, изучение сил трения и деформации. Разработка Кембриджского университета.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Аппаратура поверхностных сил (SFA) – это научный прибор, измеряющий силу взаимодействия двух поверхностей при их сближении и разведении с использованием многолучевой интерферометрии для контроля расстояния между поверхностями, непосредственного измерения площади контакта и наблюдения за деформациями, возникающими в зоне контакта. Одна из поверхностей удерживается консольной пружиной, а отклонение пружины используется для вычисления действующей силы. Данная методика была впервые разработана Дэвидом Тэбором и Р. Х. С. Винтертоном в конце 1960-х годов в Кембриджском университете. К середине 1970-х годов Дж. Н. Израийшвили адаптировал первоначальную конструкцию для работы в жидкостях, в частности в водных растворах, в Австралийском национальном университете, а затем усовершенствовал методику для проведения исследований трения и электрохимических процессов на поверхности в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре.
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
Прибор поверхностных сил использует пьезоэлектрические элементы позиционирования (в дополнение к обычным двигателям для грубой настройки) и измеряет расстояние между поверхностями с помощью оптической интерферометрии.
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.
Метод резонанса
Метод прыжка трудно осуществить, главным образом из-за неучтенных вибраций, воздействующих на прибор. Для решения этой проблемы исследователи разработали резонансный метод, который измерял поверхностные силы на больших расстояниях, от 10 до 130 нм. В этом случае нижний цилиндр колеблется с известной частотой, а частота верхнего цилиндра измеряется с помощью пьезоэлектрического биморфного датчика деформации. Чтобы минимизировать затухание, вызванное окружающей средой, эти измерения первоначально проводились в вакууме. Это позволяет тщательно исследовать взаимодействия в различных средах и регулировать диэлектрическую проницаемость зазора между поверхностями. Более того, использование воды в качестве растворителя позволяет измерять взаимодействия между биологическими молекулами (такими как липиды в биологических мембранах или белки) в их естественной среде. В среде растворителя SFA может даже измерять колебательную сольватацию и структурные силы, возникающие при упаковке отдельных слоев молекул растворителя. Также возможно измерение электростатических сил "двойного слоя" между заряженными поверхностями в водной среде, содержащей электролит.
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.
Динамический режим
В последнее время возможности SFA были расширены для проведения динамических измерений, что позволяет определять вязкие и вязкоупругие свойства жидкостей, фрикционные и трибологические свойства поверхностей, а также временную зависимость взаимодействия между биологическими структурами.
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.