$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Mikroskopia sił atomowych (AFM) to technika, która umożliwia jakościowe i ilościowe obrazowanie oraz sondowanie powierzchni materiału. 4-6 Tradycyjnie, AFM jest używany do oceny topografii powierzchni, morfologii i struktury materiałów wielofazowych. AFM ma możliwość ilościowej oceny oddziaływań w skali nano, takich jak siły ładowania, przyciągania, odpychania i adhezji między określoną sondą a podłożem zarówno w ośrodkach powietrznych, jak i ciekłych. 7,8 AFM pierwotnie opracowany przez Binninga, Quate'a i Gerbera9 wykorzystuje sondę o znanej/określonej czułości i stałej sprężystości do zbliżania się i/lub skanowania próbki. Ze względu na fizyczne interakcje między sondą a próbką, wspornik jest odchylany podczas kontaktu lub zbliżenia i w zależności od trybu pracy, ugięcie to można przełożyć na uzyskanie topografii próbki lub zmierzenie sił występujących między sondą a próbką. Modyfikacje techniki AFM, takie jak nanoskopia z sondą koloidalną,10 pozwoliły naukowcom na bezpośrednią ocenę oddziaływań nano-sił między dwoma materiałami obecnymi w interesującym nas układzie koloidalnym.
W nanoskopii sondy koloidalnej, wybrana sferyczna cząstka jest przymocowana do wierzchołka wspornika, zastępując tradycyjne stożkowe i piramidalne końcówki. Cząstka sferyczna jest idealna, aby umożliwić porównanie z modelami teoretycznymi, takimi jak teorie Johnsona, Kendala, Robertsa (JKR)11 i Derjaguina, Landaua, Vervweya, Overbeeka (DLVO)12-14 oraz zminimalizować wpływ chropowatości powierzchni na pomiar. 15 Teorie te są używane do zdefiniowania mechaniki kontaktowej i sił międzycząsteczkowych oczekiwanych w układzie koloidalnym. Teoria DLVO łączy przyciągające siły van der Waala i odpychające siły elektrostatyczne (spowodowane podwójnymi warstwami elektrycznymi) w celu ilościowego wyjaśnienia zachowania agregacji wodnych układów koloidalnych, podczas gdy teoria JKR obejmuje wpływ nacisku kontaktowego i adhezji w celu modelowania elastycznego kontaktu między dwoma składnikami. Po wyprodukowaniu odpowiedniej sondy wykorzystuje się ją do zbliżenia się do dowolnego innego materiału/cząstki w celu oceny sił między dwoma komponentami. Korzystając ze standardowo wyprodukowanej końcówki, będzie można zmierzyć siły interaktywne między tą końcówką a wybranym materiałem, ale korzyść z zastosowania specjalnie wykonanej sondy koloidalnej pozwala na pomiar sił występujących między materiałami obecnymi w badanym układzie. Do mierzalnych oddziaływań należą: siły adhezyjne, przyciągające, odpychające, naładowane, a nawet elektrostatyczne występujące między cząstkami. 16 Ponadto technika sondy koloidalnej może być wykorzystana do badania sił stycznych występujących między cząstkami a elastycznością materiału. 17,18
Możliwość przeprowadzania pomiarów w różnych mediach jest jedną z głównych zalet nanoskopii sondy koloidalnej. Warunki otoczenia, media ciekłe lub warunki kontrolowanej wilgotności mogą być wykorzystane do naśladowania warunków środowiskowych badanego systemu. Możliwość prowadzenia pomiarów w środowisku ciekłym umożliwia badanie układów koloidalnych w środowisku, w którym naturalnie występują; Dzięki temu jest w stanie ilościowo pozyskiwać dane, które można bezpośrednio przełożyć na system w jego naturalnym stanie. Na przykład interakcje cząstek występujące w inhalatorach z dozownikiem (MDI) można badać przy użyciu modelowego ciekłego paliwa o podobnych właściwościach do propelentu stosowanego w inhalatorach MDI. Te same interakcje mierzone w powietrzu nie byłyby reprezentatywne dla układu istniejącego w inhalatorze. Co więcej, ciekłe medium można modyfikować w celu oceny wpływu wnikania wilgoci, wtórnego środka powierzchniowo czynnego lub temperatury na interakcje cząstek w MDI. Zdolność do kontrolowania temperatury może być wykorzystana do naśladowania pewnych etapów produkcji układów koloidalnych w celu oceny, w jaki sposób temperatura podczas wytwarzania lub przechowywania układów koloidalnych może mieć wpływ na oddziaływania cząstek.
Pomiary, które można uzyskać za pomocą sond koloidalnych, obejmują; Skanowanie topograficzne, indywidualne krzywe siła-odległość, mapy adhezji siła-odległość oraz pomiary siły i odległości. Kluczowe parametry, które są mierzone za pomocą metody nanoskopii sondy koloidalnej przedstawionej w tym artykule, obejmują wartości przystawki, maksymalnego obciążenia i energii separacji. Snap-in to pomiar sił przyciągania, maksymalnego obciążenia, wartości maksymalnej siły adhezji, a energia separacji przekazuje energię potrzebną do wycofania cząstki z kontaktu. Wartości te można mierzyć za pomocą pomiarów siły chwilowej lub siły przebywania. Dwa różne rodzaje pomiarów przebywania obejmują ugięcie i wgłębienie. Długość i rodzaj pomiaru przebywania można specjalnie dobrać, aby naśladować określone interakcje, które są obecne w interesującym nas systemie. Przykładem jest wykorzystanie wahania - które utrzymuje próbki w kontakcie przy pożądanej wartości ugięcia - do oceny wiązań adhezyjnych, które powstają w agregatach utworzonych w dyspersjach. Powstałe wiązania adhezyjne mogą być mierzone w funkcji czasu i mogą zapewnić wgląd w siły wymagane do ponownego rozproszenia kruszywa po długotrwałym przechowywaniu. Mnogość danych, które można uzyskać za pomocą tej metody, świadczy o wszechstronności tej metody.