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島津原子力顯微鏡-從表面到界面
人類認(rèn)識(shí)真理的過(guò)程就像剝洋蔥，由表及里一層層遞進(jìn),。
反映到對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的認(rèn)識(shí),，一開始，人們通過(guò)物質(zhì)的形,、色等外在表象認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng),。正如現(xiàn)代化學(xué)之父拉瓦錫重復(fù)的經(jīng)典“氧化汞加熱"實(shí)驗(yàn)一樣，氧化汞由紅色粉末變?yōu)橐簯B(tài)的金屬汞,，這個(gè)顯著的變化意味著反應(yīng)的發(fā)生,。即使到了近現(xiàn)代，儀器分析手段越來(lái)越多樣,，我們做常用的分析手段也是通過(guò)物質(zhì)外在狀態(tài)的變化進(jìn)行觀察,，或者利用各類顯微鏡及X射線衍射儀觀察物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化。
拉瓦錫之匙
拉瓦錫對(duì)化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的質(zhì)量,、顏色,、狀態(tài)變化的觀察，猶如在重重黑暗中,，找到了打卡化學(xué)之門的那把鑰匙,。
元素周期表
到19世紀(jì)，道爾頓和阿伏加德羅的原子,、分子理論確立,，門捷列夫編列了元素周期表。
原子,、分子,、元素概念的建立令化學(xué)豁然開朗
自從用原子-分子論來(lái)研究化學(xué)，化學(xué)才真正被確立為一門科學(xué),。正是隨著對(duì)不同元素的各種微粒組合變化的認(rèn)識(shí)發(fā)展,，化學(xué)的大門終于被打開。
伴隨金屬鍵,、共價(jià)鍵,、離子鍵、氫鍵等各種“鍵"概念的提出,，人們逐漸認(rèn)識(shí)到各種反應(yīng)的本質(zhì)是原子或分子等微粒間的力學(xué)變化,。于是，對(duì)反應(yīng)的觀測(cè)需要微觀下的力學(xué)測(cè)量工作,。
作為專門利用極近距離下極小顆粒間作用力工作的原子力顯微鏡,，此事展現(xiàn)了自身巨大優(yōu)勢(shì)。無(wú)論是直接測(cè)試不同分子間的作用力,，還是利用力的測(cè)量完成表面形貌的表征,，原子力顯微鏡以高分辨率出色地完成了任務(wù),。
對(duì)于一些生物樣品，例如脂質(zhì)膜,，因?yàn)槠涫怯闪字肿訕?gòu)成的單層或雙層結(jié)構(gòu),，極其柔軟，因此其表面作用力極其微弱,。從測(cè)試曲線上可以看出,，脂質(zhì)膜對(duì)探針的力只有約1pN，但是原子力顯微鏡的測(cè)試曲線上可以很清晰地捕捉到這個(gè)變化,。
有趣的是,，人們對(duì)真理的發(fā)掘，是由表及里的,。但是利用原子力顯微鏡對(duì)化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的發(fā)現(xiàn),，卻是由內(nèi)而外的。
原子力顯微鏡基本是被作為一種表面分析工具使用的,。這使其只能用來(lái)觀察反應(yīng)前后固相表面的結(jié)構(gòu)變化,，或者通過(guò)固相表面的各種屬性，如機(jī)械性能,、電磁學(xué)性能等側(cè)面論證反應(yīng)的發(fā)生,。而要真正觀察到反應(yīng)的過(guò)程，是要對(duì)界面層進(jìn)行觀測(cè)的,。因?yàn)閹缀跛械姆磻?yīng),，都是發(fā)生在兩相界面處的,，表面只是最終反應(yīng)結(jié)果的呈現(xiàn),。
在界面處，反應(yīng)發(fā)生時(shí),，原有的原子/分子間的作用力——也就是各種“鍵",，因?yàn)殡娮拥臓顟B(tài)變化（得失或者偏移）無(wú)法維持原有的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致了原子/分子的重新排列,，直到形成了新的力學(xué)穩(wěn)定態(tài)——也就是新的“鍵"形成后,，反應(yīng)結(jié)束。這個(gè)過(guò)程的核心就是原子/分子間的“力的變化",。
反應(yīng)的本質(zhì)——微粒間力的分分合合
當(dāng)化學(xué)科學(xué)的車輪推進(jìn)到納米時(shí)代,，當(dāng)探索的前鋒觸摸了兩相界面，當(dāng)理論的深度深入到動(dòng)力學(xué)的研究,。原子力顯微鏡是否能夠當(dāng)此重任呢,？
能。但是需要一番蛻變,。
界面處的力梯度有兩個(gè)特點(diǎn),。一是更為集中，一般在0.3nm-1nm左右的范圍內(nèi)會(huì)有2-4個(gè)梯度變化；二是更為微弱,，現(xiàn)在的原子力顯微鏡可以有效捕捉皮牛級(jí)的力變化,，但是在表征界面時(shí)依然分辨率不足，需要的分辨率要提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí),。
新的需求引導(dǎo)了新的技術(shù)蛻變,。調(diào)頻模式的成熟化，幾乎完美應(yīng)對(duì)了界面處的力梯度特點(diǎn),。一方面,，只有幾個(gè)埃的振幅可以有效對(duì)整個(gè)界面區(qū)進(jìn)行表征，另一方面,，檢測(cè)噪音壓低到20 fm/√Hz以內(nèi),，保證了*的分辨率。
島津調(diào)頻型原子力顯微鏡SPM-8100FM
例如對(duì)固液界面的觀察,。我們都知道,，因?yàn)樵诠桃航缑嫣帲驗(yàn)橐后w分子和固體表面分子的距離不同,，會(huì)形成不同的作用力,，如氫鍵、偶極矩,、色散力等,。因此形成的液體分子的堆積密度會(huì)有不同。這種液體分子的分層模型,，是潤(rùn)滑,、浸潤(rùn)、表面張力等領(lǐng)域的底層原理,。但是長(zhǎng)期以來(lái),，這些理論只存在于數(shù)理模型和宏觀現(xiàn)象解釋之中，沒(méi)有一個(gè)合適的直觀觀測(cè)工具,。
界面觀測(cè)之牛刀小試
島津的SPM-8100FM的出現(xiàn),，將固液界面的高效表征變成了現(xiàn)實(shí)。上圖右側(cè)就是云母和水的界面處,，水分子的分層結(jié)構(gòu),，在約0.6nm的范圍內(nèi)，可以清楚看到3個(gè)分層,。
具體到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中,，對(duì)表面潤(rùn)滑的研究很適合采用這種分析工具進(jìn)行定性定量化測(cè)試。使用SPM-8100FM對(duì)潤(rùn)滑油中氧化鐵表面上所形成的磷酸酯吸附膜進(jìn)行分析,。
圖示為4組對(duì)照實(shí)驗(yàn),，分別是僅使用PAO（聚α-烯烴）和添加了不同濃度的C18AP（正磷酸油酸酯）的潤(rùn)滑油,。
在未添加C18AP的PAO中，觀察到層間距離0.66 nm的層狀結(jié)構(gòu),。通過(guò)這一層次可以看出,，PAO分子在氧化鐵膜表面上形成了平行于表面的平坦的覆層。隨著C18AP濃度不斷增加,，從0.2 ppm到2 ppm后,，層狀結(jié)構(gòu)開始消失，最后在20 ppm和200 ppm時(shí)*觀察不到,。層狀結(jié)構(gòu)消失表明PAO分子定向結(jié)構(gòu)被C18AP取代,，在基片上形成了吸附膜。隨著C18AP濃度不斷增加,，氧化鐵基片表面逐漸被吸附膜覆蓋,。
對(duì)照使用擺錘式摩擦力測(cè)試儀測(cè)量獲得的鋼-潤(rùn)滑油-鋼界面的摩擦系數(shù)。在添加C18AP濃度到達(dá)20 ppm后,，PAO的摩擦系數(shù)大大降低,。和微觀界面表征的結(jié)果非常吻合。
由此可見(jiàn),，使用SPM-8100FM對(duì)潤(rùn)滑油-氧化鐵界面實(shí)施滑動(dòng)表面摩擦特性分析評(píng)估,，可有效加快潤(rùn)滑油開發(fā)進(jìn)度。
技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了科學(xué)的進(jìn)步,，科學(xué)的發(fā)展也渴求更多的技術(shù)發(fā)展,。原子力顯微鏡表征技術(shù)由表面向界面的延伸，一定會(huì)有力地推動(dòng)對(duì)化學(xué)由表象向本質(zhì)的探索,。島津?qū)⒁蝗缂韧乇M其所能,，提供幫助。
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