Aparato de fuerzas superficiales
El Surface Force Apparatus ( SFA ) es un instrumento científico que mide la fuerza de interacción de dos superficies a medida que se unen y se retraen utilizando interferometría de haz múltiple para monitorear la separación de la superficie y medir directamente el área de contacto y observar cualquier deformación de la superficie que ocurra en la zona de contacto. Una superficie está sujeta por un resorte en voladizo , y la desviación del resorte se usa para calcular la fuerza que se ejerce. [2] La técnica fue iniciada por D. Tabor, RHS Winterton a fines de la década de 1960 en la Universidad de Cambridge . [3] A mediados de la década de 1970, JN Israelachvilihabía adaptado el diseño original para operar en líquidos, especialmente soluciones acuosas, mientras estaba en la Universidad Nacional de Australia , [4] y avanzó aún más la técnica para respaldar la fricción y estudios de superficies electroquímicas [5] mientras estaba en la Universidad de California en Santa Bárbara .
Un aparato de fuerza de superficie utiliza elementos de posicionamiento piezoeléctricos (además de motores convencionales para ajustes aproximados) y detecta la distancia entre las superficies mediante interferometría óptica . [6] El uso de estos elementos sensibles, el dispositivo puede resolver distancias a dentro de 0,1 nanómetros , y las fuerzas en el 10 -8 N nivel. Esta técnica extremadamente sensible se puede utilizar para medir fuerzas electrostáticas , fuerzas de van der Waals esquivas e incluso fuerzas de hidratación o solvatación. SFA es en cierto modo similar al uso de un microscopio de fuerza atómicapara medir la interacción entre una punta (o molécula adsorbida en la punta) y una superficie. Sin embargo, el SFA es más ideal para medir interacciones superficie-superficie, puede medir fuerzas de rango mucho más largo con mayor precisión y es más adecuado para situaciones en las que los tiempos de relajación prolongados juegan un papel (pedidos, alta viscosidad, corrosión). La técnica SFA es bastante exigente, sin embargo, los laboratorios de todo el mundo han adoptado la técnica como parte de su instrumentación de investigación científica de superficies.
En el SFA, se hace que dos superficies lisas curvadas cilíndricamente cuyos ejes cilíndricos estén colocados a 90 ° entre sí se acerquen entre sí en una dirección normal a los ejes. La distancia entre las superficies en el punto de aproximación más cercana varía entre unos pocos micrómetros y unos pocos nanómetros según el aparato. Cuando los dos cilindros curvas tienen el mismo radio de curvatura, R , geometría este llamado 'cruzado cilindros' es matemáticamente equivalente a la interacción entre una superficie plana y una esfera de radio R . El uso de la geometría del cilindro cruzado facilita la alineación, permite probar muchas regiones de superficie diferentes para obtener mejores estadísticas y también permite tomar medidas dependientes del ángulo. Una configuración típica implica R = 1 cm.
Las mediciones de posición se realizan normalmente mediante interferometría de haz múltiple (MBI). Las superficies transparentes de los cilindros perpendiculares, generalmente mica, están respaldadas con un material altamente reflectante generalmente plateado antes de montarse en los cilindros de vidrio. Cuando se ilumina una fuente de luz blanca normal a los cilindros perpendiculares, la luz se reflejará hacia adelante y hacia atrás hasta que se transmita en el lugar donde las superficies están más cercanas. Estos rayos crean un patrón de interferencia, conocido como franjas de igual orden cromático (FECO), que se puede observar al microscopio. La distancia entre las dos superficies se puede determinar analizando estos patrones. Micase utiliza porque es extremadamente plano, fácil de trabajar y ópticamente transparente. Cualquier otro material o molécula de interés puede recubrirse o adsorberse sobre la capa de mica.
En el método de salto, el cilindro superior se monta en un par de resortes en voladizo, mientras que el cilindro inferior se eleva hacia el cilindro superior. Mientras el cilindro inferior se acerca a la parte superior, llega un punto en el que "saltarán" en contacto entre sí. Las medidas, en este caso, se basan en la distancia desde la que saltan y la constante del resorte. Estas medidas suelen realizarse entre superficies separadas por 1,25 nm y 20 nm. [6]
