《表1 AFM探针与表面作用力及对应的接触力学模型[38-42]》

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《复杂流体-固体界面相互作用热力学机制》

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AFM是表征纳微尺度相互作用最直接的仪器[33-36]。尽管常规AFM用于做一些形貌和粗糙度的分析，AFM的本征功能则在于纳米力学的测定，由此获得纳微尺度复杂界面的相互作用，包括XY方向上的侧向力以及Z方向上的黏附力[37]，并且针对不同的体系，可以采用不同的力学模型进行描述。表1汇总了AFM测试中针尖与样品间的相互作用力的模型。范德华力是添加尖端和表面原子之间的所有偶极子相互作用的结果，其在大气环境或者真空环境中是吸引作用力，而在液体环境中时可能是吸引力或者是排斥力，主要取决于介质的介电常数和折射率[38]。当探针与样品之间发生接触，对于不同的样品性质，有不同的接触力学模型[39]。具体的接触力学模型主要包括Hertz模型，DerjaguinMuller-Toporov（DMT）模型和Johnson-KendallRoberts（JKR）模型[40]。其中Hertz模型主要适用于描述相对较硬的物质的力学接触，相当于是把探针表面看作一个球面，描述了一种球面与样品表面的接触；DMT模型主要用于描述具有弱黏附力和小尖端半径的刚性接触，该模型考虑了作用在接触面积外的黏附力的存在[41]；JKR模型主要用于描述在接触面积内的相互作用，以及硬度相对较低、黏附力和针尖半径较大的接触情形[41]。除了接触力学模型，同样存在静电作用模型，静电力一般是长程的，这意味着作用在样品表面的静电力不仅来自于探针尖端的原子或分子，也可来自于探针锥型本体甚至整个微悬臂。毛细力模型主要描述的是在大气环境中，水自发地从蒸汽冷凝到亲水表面的裂纹或孔隙中，球形探针针尖与平坦表面刚接触时的热力学过程力。而当有液体存在时，尤其是带电体系，会产生静电双层力，双电层分为两个区域，一个是靠近表面的一层抗衡离子区域，称之为亥姆霍兹层，另一个是由于热运动延伸到远离表面的抗衡离子区域，称之为扩散双层，主要采用DerjaguinLandau-Verwey-Overbeek（DLVO）模型进行描述，主要是静电双电层力和范德华力的总和，其中静电双电层力和范德华力明显不同，对于同一个表面一个是排斥力一个是吸引力，其次，静电双电层力受电解质浓度影响，而离子浓度不影响范德华力。溶剂化力主要来源于物质由分立的原子/分子组成，溶剂化力引起靠近固体表面处液体密度相对其体相密度的振荡。因此，针对不同的体系，可采用不同的力学模型进行描述。