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Wussten Sie, wie Oberflächenkraftmessgeräte Oberflächenverformungen auf Mikrometerebene messen?
Die Instrumentierung von Oberflächenkräften reicht bis in die 1960er Jahre zurück, als David Tabor und R.H.S. Winterton an der Universität Cambridge diese Technologie erstmals vorschlugen. Im Laufe der Zeit wurde die Technologie insbesondere durch J.N. Israelachvili in den 1970er Jahren verbessert, sodass der Betrieb in Flüssigkeiten möglich wurde.
Ein Oberflächenkraftmessgerät (SFA) ist ein hochpräzises Instrument zur Messung der Wechselwirkungskräfte zwischen zwei Oberflächen. Dieses Instrument überwacht den Abstand zwischen Oberflächen mittels Mehrstrahl-Interferometrie und ermöglicht so eine direkte Messung der Kontaktfläche und die Beobachtung jeglicher Oberflächenverformung, die innerhalb der Kontaktregion auftritt. Dies macht SFA zu einem wichtigen Werkzeug in den Bereichen Physik und Materialwissenschaften.
Oberflächenkraftmessgeräte können Entfernungen bis zu 0,1 Nanometer auflösen und winzige Kräfte bis zu 10^-8 Newton messen.
Bei der SFA wird eine Oberfläche durch eine Auslegerfeder gehalten und die Auslenkung der Feder wird zur Berechnung der angewandten Kraft verwendet. Bei der Messung werden zwei Zylinder horizontal aufgestellt und bis auf wenige Mikrometer bis Nanometer aneinander angenähert. Das Instrument besteht häufig aus transparentem Glimmer mit einer stark reflektierenden Silberbeschichtung auf der Rückseite, um deutliche Interferenzmuster zu erzeugen, die unter einem Mikroskop beobachtet werden können, um den Abstand zwischen den beiden Oberflächen zu bestimmen.
Eine der technischen Herausforderungen des Instruments besteht darin, die Vibrationseffekte zu kontrollieren. Zu diesem Zweck entwickelten die Forscher eine Resonanzmethode, die es ermöglicht, Oberflächenkräfte über größere Distanzen (10 Nanometer bis 130 Nanometer) zu messen. Gleichzeitig wurde diese Technologie zunächst in einer Vakuumumgebung durchgeführt, um die Dämpfung durch das umgebende Medium zu verringern.
Der dynamische Modus der SFA ermöglicht die Messung der viskosen und viskoelastischen Eigenschaften von Flüssigkeiten sowie der zeitabhängigen Wechselwirkungen zwischen biologischen Strukturen.
Einerseits können mit der SFA die hydrophoben und elektrostatischen Doppelschichtkräfte biomolekularer Wechselwirkungen, insbesondere in wässrigen Lösungen, gemessen werden. Diese Eigenschaft macht es zu einem wichtigen technischen Werkzeug im biomedizinischen Bereich. Beispielsweise kann SFA Lipid- oder Proteininteraktionen in Lipidmembranen auflösen. In der Umgebung verschiedener Lösungsmittel kann SFA sogar die oszillierenden Lösungsmittelkräfte messen, die durch die Aggregation von einschichtigen Lösungsmittelmolekülen entstehen.
Mit dem technologischen Fortschritt hat sich die SFA weiterentwickelt und ermöglicht dynamische Messungen. So können Forscher nicht nur statische Oberflächeninteraktionen verstehen, sondern auch Wandreibung und Flüssigkeitseigenschaften in einer fließenden Umgebung analysieren.
Obwohl für den Betrieb der SFA hohe technische Fähigkeiten erforderlich sind, haben viele Labore auf der ganzen Welt diese Technologie bereits in ihre Forschungsausrüstung integriert. Dies zeigt seinen tiefgreifenden Einfluss auf die Oberflächenforschung. Mit der Weiterentwicklung der Nanotechnologie und Materialwissenschaft werden wir in Zukunft möglicherweise weitere Durchbrüche bei SFA-Anwendungen erleben. Haben Sie sich auch gefragt, wie diese Technologie unser Verständnis der mikroskopischen Welt in Zukunft verändern könnte?Der Anwendungsbereich der SFA-Technologie erweitert sich ständig, von der Materialwissenschaft bis zur Biomedizin, was ihre Bedeutung und ihr Potenzial verdeutlicht.
