aparato de fuerzas superficiales

El aparato de fuerza superficial ( SFA ) es un instrumento científico que mide la fuerza de interacción de dos superficies a medida que se acercan y se separan utilizando interferometría de haces múltiples para monitorear la separación de superficies y medir directamente el área de contacto y observar cualquier deformación de la superficie que ocurra en la zona de contacto. Una superficie se sostiene mediante un resorte en voladizo , y la deflexión del resorte se utiliza para calcular la fuerza que se ejerce. ^{[ 2 ]} La técnica fue desarrollada por David Tabor y RHS Winterton a finales de la década de 1960 en la Universidad de Cambridge . ^{[ 3 ]} A mediados de la década de 1970, JN Israelachvili había adaptado el diseño original para operar en líquidos, particularmente soluciones acuosas, mientras estaba en la Universidad Nacional de Australia , ^{[ 4 ]} y avanzó aún más la técnica para apoyar estudios de fricción y superficies electroquímicas ^{[ 5 ]} mientras estaba en la Universidad de California Santa Bárbara .

Un aparato de fuerza superficial utiliza elementos de posicionamiento piezoeléctricos (además de motores convencionales para ajustes gruesos) y detecta la distancia entre las superficies mediante interferometría óptica . ^{[ 6 ]} Gracias a estos elementos sensibles, el dispositivo puede determinar distancias con una precisión de 0,1 nanómetros y fuerzas del orden de 10⁻⁸ ^N. Esta técnica extremadamente sensible permite medir fuerzas electrostáticas , fuerzas de van der Waals difíciles de detectar e incluso fuerzas de hidratación o solvatación. El SFA es, en cierto modo, similar al uso de un microscopio de fuerza atómica para medir la interacción entre una punta (o una molécula adsorbida en ella) y una superficie. Sin embargo, el SFA es más idóneo para medir interacciones superficie-superficie, permite medir fuerzas de mayor alcance con mayor precisión y resulta muy adecuado para situaciones en las que intervienen largos tiempos de relajación (ordenamiento, alta viscosidad, corrosión). La técnica SFA es bastante exigente; no obstante, laboratorios de todo el mundo la han adoptado como parte de su instrumentación para la investigación en ciencia de superficies.

En el método SFA, dos superficies cilíndricas lisas, cuyos ejes están posicionados a 90° entre sí, se aproximan en una dirección normal a los ejes. La distancia entre las superficies en el punto de máxima aproximación varía entre unos pocos micrómetros y unos pocos nanómetros, dependiendo del aparato. Cuando los dos cilindros curvos tienen el mismo radio de curvatura, R , esta geometría denominada de "cilindros cruzados" es matemáticamente equivalente a la interacción entre una superficie plana y una esfera de radio R. El uso de la geometría de cilindros cruzados facilita mucho la alineación, permite probar muchas regiones de superficie diferentes para obtener mejores estadísticas y también permite tomar mediciones dependientes del ángulo. Una configuración típica implica R = 1  cm.

Las mediciones de posición se realizan típicamente mediante interferometría de haces múltiples (MBI). Las superficies transparentes de los cilindros perpendiculares, generalmente de mica, se recubren con un material altamente reflectante, normalmente plata, antes de montarlas sobre los cilindros de vidrio. Cuando se ilumina una fuente de luz blanca perpendicularmente a los cilindros, la luz se refleja repetidamente hasta que se transmite en el punto donde las superficies están más próximas. Estos rayos crean un patrón de interferencia, conocido como franjas de igual orden cromático (FECO), que se puede observar con un microscopio. La distancia entre las dos superficies se puede determinar analizando estos patrones. Se utiliza mica porque es extremadamente plana, fácil de manipular y ópticamente transparente. Cualquier otro material o molécula de interés se puede recubrir o adsorber sobre la capa de mica.

Las mediciones de fuerza del SFA se basan principalmente en la ley de Hooke ,

${\displaystyle F=kx}$

donde F es la fuerza restauradora de un resorte, k es la constante del resorte y x es el desplazamiento del resorte.

Utilizando un resorte en voladizo, la superficie inferior se acerca a la superficie superior mediante un micrómetro fino o un tubo piezoeléctrico. La fuerza entre las dos superficies se mide mediante

${\displaystyle \Delta F(x)=k(\Delta x_{\text{aplicado}}-\Delta x_{\text{medido}})}$

dónde${\textstyle \Delta x_{\text{aplicado}}}$es el cambio en el desplazamiento aplicado por el micrómetro y${\displaystyle \Delta x_{\text{medido}}}$es el desplazamiento de cambio medido por interferometría.

Las constantes del resorte pueden variar en cualquier punto.${\displaystyle 30\times 10^{5}{\frac {N}{m}}}$a${\displaystyle 5\times 10^{5}{\frac {N}{m}}}$. ^{[ 2 ]} Al medir fuerzas mayores, se utilizaría un resorte con una constante elástica mayor.

• Microscopio de fuerza atómica
• Técnica de sonda coloidal

• Ciencia y Tecnología de Superficies, Instituto Federal Suizo de Tecnología
• Universidad Nacional Australiana, Escuela de Investigación de Ciencias Físicas e Ingeniería
• "El aparato de fuerzas superficiales de rayos X: Estructura de una película delgada de cristal líquido esméctico bajo confinamiento" Science, 24 de junio de 1994: Vol. 264, n.º 5167, págs. 1915-1918.
• "Aparato de fuerzas superficiales por rayos X para la medición simultánea de la difracción de rayos X y la medición directa de fuerzas normales y laterales". Review of Scientific Instruments , 73 (6):2486-2488 (2002).