Aparelho de forças de superfície

Da Wikipédia, a enciclopédia livre
Ir para a navegação Pular para pesquisar
Um Aparelho de Força de Superfície atual. O modelo mostrado é o SFA 2000. [1]

O Surface Force Apparatus ( SFA ) é um instrumento científico que mede a força de interação de duas superfícies conforme elas são reunidas e retraídas usando interferometria de feixe múltiplo para monitorar a separação de superfícies e medir diretamente a área de contato e observar quaisquer deformações de superfície que ocorram na zona de contato. Uma superfície é mantida por uma mola em balanço e a deflexão da mola é usada para calcular a força que está sendo exercida. [2] A técnica foi iniciada por David Tabor e RHS Winterton no final dos anos 1960 na Universidade de Cambridge . [3] Em meados da década de 1970, JN Israelachviliadaptou o projeto original para operar em líquidos, notavelmente soluções aquosas, enquanto estava na Australian National University , [4] e avançou ainda mais a técnica para suportar fricção e estudos eletroquímicos de superfície [5] enquanto estava na University of California Santa Barbara .

Operação

Um aparelho de força de superfície usa elementos de posicionamento piezoelétricos (além de motores convencionais para ajustes grosseiros) e detecta a distância entre as superfícies usando interferometria óptica . [6] Usando esses elementos sensíveis, o dispositivo pode resolver distâncias dentro de 0,1 nanômetro e forças no nível 10 -8 N. Essa técnica extremamente sensível pode ser usada para medir forças eletrostáticas , forças indescritíveis de van der Waals e até mesmo forças de hidratação ou solvatação. O SFA é, de certa forma, semelhante ao uso de um microscópio de força atômicapara medir a interação entre uma ponta (ou molécula adsorvida na ponta) e uma superfície. O SFA, no entanto, é mais adequado para medir interações superfície-superfície, pode medir forças de longo alcance com mais precisão e é adequado para situações em que longos tempos de relaxação desempenham um papel (ordem, alta viscosidade, corrosão). A técnica SFA é bastante exigente, no entanto, laboratórios em todo o mundo adotaram a técnica como parte de sua instrumentação de pesquisa científica de superfície.

No método SFA, duas superfícies curvas cilíndricas suaves cujos eixos cilíndricos estão posicionados a 90° entre si são feitas para se aproximarem uma da outra em uma direção normal aos eixos. A distância entre as superfícies no ponto de maior aproximação varia entre alguns micrômetros a alguns nanômetros, dependendo do aparelho. Quando os dois cilindros curvos têm o mesmo raio de curvatura, R , a chamada geometria de 'cilindros cruzados' é matematicamente equivalente à interação entre uma superfície plana e uma esfera de raio R . O uso da geometria do cilindro cruzado torna o alinhamento muito mais fácil, permite o teste de muitas regiões de superfície diferentes para melhores estatísticas e também permite que sejam feitas medições dependentes do ângulo. Uma configuração típica envolve R= 1 cm.

Um exemplo de configuração SFA mostrando as várias camadas, usando um modelo geometricamente equivalente.

As medições de posição são normalmente feitas usando interferometria de feixe múltiplo (MBI). As superfícies transparentes dos cilindros perpendiculares, geralmente mica, são revestidas com um material altamente refletivo, geralmente prata, antes de serem montadas nos cilindros de vidro. Quando uma fonte de luz branca é iluminada normal aos cilindros perpendiculares, a luz irá refletir para frente e para trás até que seja transmitida onde as superfícies estão mais próximas. Esses raios criam um padrão de interferência, conhecido como franjas de igual ordem cromática (FECO), que pode ser observado ao microscópio. A distância entre as duas superfícies pode ser determinada pela análise desses padrões. Micaé usado porque é extremamente plano, fácil de trabalhar e opticamente transparente. Qualquer outro material ou molécula de interesse pode ser revestido ou adsorvido na camada de mica.

O método de salto

No método de salto, o cilindro superior é montado em um par de molas cantilever, enquanto o cilindro inferior é levado em direção ao cilindro superior. Enquanto o cilindro inferior se aproxima do topo, chega um ponto em que eles "saltam" em contato um com o outro. As medições, neste caso, são baseadas na distância de onde eles saltam e na constante da mola. Essas medições são geralmente entre superfícies de 1,25 nm e 20 nm de distância. [6]

O método de ressonância

O método de salto é difícil de executar principalmente devido a vibrações inexplicáveis ​​que entram no instrumento. Para superar isso, os pesquisadores desenvolveram o método de ressonância que mede as forças de superfície em distâncias maiores, de 10 nm a 130 nm. Neste caso, o cilindro inferior é oscilado em uma frequência conhecida, enquanto a frequência do cilindro superior é medida usando um strain gauge bimorfo piezoelétrico . Para minimizar o amortecimento devido à substância circundante, essas medições foram originalmente feitas no vácuo. [6]

Modo solvente

Os primeiros experimentos mediram a força entre as superfícies de mica no ar ou no vácuo . [6] A técnica foi estendida, no entanto, para permitir que um vapor arbitrário ou solvente seja introduzido entre as duas superfícies. [7] Desta forma, as interações em vários meios podem ser cuidadosamente sondadas e a constante dielétrica do espaço entre as superfícies pode ser ajustada. Além disso, o uso de água como solvente permite a medição de interações entre moléculas biológicas (como lipídios em membranas biológicas ou proteínas) em seu ambiente nativo. Em um ambiente de solvente, o SFA pode até mesmo medir a solvatação oscilatória e as forças estruturais decorrentes do empacotamento de camadas individuais de moléculas de solvente. Ele também pode medir as forças eletrostáticas de 'camada dupla' entre superfícies carregadas em um meio aquoso com eletrólito .

Modo dinâmico

O SFA foi estendido mais recentemente para realizar medições dinâmicas, determinando assim propriedades viscosas e viscoelásticas de fluidos, propriedades friccionais e tribológicas de superfícies e a interação dependente do tempo entre estruturas biológicas. [8]

Teoria

As medições de força do SFA são baseadas principalmente na Lei de Hooke ,

onde F é a força restauradora de uma mola, k é a constante da mola e x é o deslocamento da mola.

Usando uma mola em balanço, a superfície inferior é trazida para a superfície superior usando um micrômetro fino ou piezotubo. A força entre as duas superfícies é medida por

Ondeé a mudança no deslocamento aplicada pelo micrômetro eé o deslocamento de mudança medido por interferometria.

As constantes de mola podem variar depara. [2] Ao medir forças mais altas, uma mola com uma constante de mola mais alta seria usada.

Veja também

Referências

  1. ^ "Casa - SurForce LLC" . SurForce LLC . Recuperado 2018-10-26 .
  2. ^ a b Israelachvili, J; Min, Y; Akbulut, M; Alig, A; Carver, G; Greene, W; Kristiansen, K; Meyer, E; Pesika, N; Rosenberg, K; Zeng, H (2010). "Avanços recentes na técnica do aparelho de forças de superfície (SFA)" . Relatórios sobre o Progresso da Física . 73 (3): 036601. Bibcode : 2010RPPh...73c6601I . doi : 10.1088/0034-4885/73/3/036601 . ISSN 0034-4885 . S2CID 53958134 .  
  3. ^ Tabor, D.; Winterton, RHS (30 de setembro de 1969). "A medição direta das forças normais e retardadas de van der Waals". Proceedings of the Royal Society A: Ciências matemáticas, físicas e de engenharia . 312 (1511): 435–450. Código Bib : 1969RSPSA.312..435T . doi : 10.1098/rspa.1969.0169 . S2CID 96200833 . 
  4. ^ Israelachvili, JN; Adams, GE (26 de agosto de 1976). "Medição direta de forças de longo alcance entre duas superfícies de mica em soluções aquosas de KNO3". Natureza . 262 (5571): 774–776. Código Bib : 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). "Avanços recentes na técnica do aparelho de forças de superfície (SFA)" . Relatórios sobre o Progresso da Física . 73 (3): 036601. Bibcode : 2010RPPh...73c6601I . doi : 10.1088/0034-4885/73/3/036601 . ISSN 0034-4885 . S2CID 53958134 .  
  6. ^ a b c d Israelachvili, JN; Tabor, D. (1972-11-21). "A medição das forças de dispersão de Van Der Waals na faixa de 1,5 a 130 nm". Proceedings of the Royal Society of London A: Ciências matemáticas, físicas e de engenharia . 331 (1584): 19–38. Código Bib : 1972RSPSA.331 ...19I . doi : 10.1098/rspa.1972.0162 . ISSN 1364-5021 . S2CID 202575114 .  
  7. ^ Israelachvili, JN; Adams, GE (1976-08-26). "Medição direta de forças de longo alcance entre duas superfícies de mica em soluções aquosas de KNO3". Natureza . 262 (5571): 774–776. Código Bib : 1976Natur.262..774I . doi : 10.1038/262774a0 . S2CID 4170776 . 
  8. ^ Autor (2002). "Um novo aparelho de forças de superfície para nanorreologia" (PDF) . Revisão de Instrumentos Científicos . 73 (6): 2296. Bibcode : 2002RScI...73.2292R . doi : 10.1063/1.1476719 . {{cite journal}}: |last1=tem nome genérico ( ajuda )

Leitura adicional