El Aparato de Fuerza de Superficie ( SFA ) es un instrumento científico que mide la fuerza de interacción de dos superficies cuando se juntan 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 sostenida por un resorte en voladizo , y la deflexión del resorte se utiliza para calcular la fuerza que se ejerce. [2] La técnica fue iniciada por David Tabor y RHS Winterton a fines 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, especialmente soluciones acuosas, mientras estaba en la Universidad Nacional Australiana , [4] y avanzó aún más la técnica para respaldar los estudios de fricción y superficies electroquímicas [5] mientras estaba en la Universidad de California en 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] Usando estos elementos sensibles, el dispositivo puede resolver distancias con una precisión de 0,1 nanómetros y fuerzas en el nivel de 10 −8 N. Esta técnica extremadamente sensible se puede utilizar para medir fuerzas electrostáticas , esquivas fuerzas de van der Waals e incluso fuerzas de hidratación o solvatación. El SFA es en algunos aspectos similar al uso de un microscopio de fuerza atómica para medir la interacción entre una punta (o molécula adsorbida en la punta) y una superficie. El SFA, sin embargo, es más adecuado para medir interacciones superficie-superficie, puede medir fuerzas de rango mucho más largo con mayor precisión y es adecuado para situaciones en las que los tiempos de relajación largos juegan un papel (ordenamiento, alta viscosidad, corrosión). La técnica SFA es bastante exigente, sin embargo, laboratorios de todo el mundo han adoptado la técnica como parte de su instrumentación de investigación de ciencia de superficies.
En el método SFA, se hace que dos superficies cilíndricas curvas lisas cuyos ejes cilíndricos están posicionados a 90° entre sí se aproximen entre sí en una dirección normal a los ejes. La distancia entre las superficies en el punto de aproximación más cercano 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 "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 hace que la alineación sea mucho más fácil, 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 normalmente mediante interferometría de haces múltiples (MBI). Las superficies transparentes de los cilindros perpendiculares, normalmente de mica, se recubren con un material altamente reflectante, normalmente plata, antes de montarlas en los cilindros de vidrio. Cuando se proyecta una fuente de luz blanca de forma normal sobre los cilindros perpendiculares, la luz se reflejará de un lado a otro hasta que se transmita al 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 trabajar y ópticamente transparente. Cualquier otro material o molécula de interés se puede recubrir o adsorber sobre la capa de mica.
En el método de salto, el cilindro superior se monta sobre un par de resortes en voladizo, mientras que el cilindro inferior se acerca al cilindro superior. Mientras el cilindro inferior se acerca a la parte superior, llega un punto en el que "saltarán" y entrarán en contacto entre sí. Las mediciones, en este caso, se basan en la distancia desde la que saltan y en la constante del resorte. Estas mediciones se realizan normalmente entre superficies separadas entre 1,25 nm y 20 nm. [6]
El método de salto es difícil de ejecutar debido principalmente a vibraciones no contabilizadas que entran al instrumento. Para superar esto, los investigadores desarrollaron el método de resonancia que mide las fuerzas superficiales a distancias mayores, de 10 nm a 130 nm. En este caso, el cilindro inferior oscila a una frecuencia conocida, mientras que la frecuencia del cilindro superior se mide utilizando un extensómetro bimorfo piezoeléctrico . Para minimizar la amortiguación debido a la sustancia circundante, estas mediciones se realizaron originalmente en el vacío. [6]
Los primeros experimentos midieron la fuerza entre las superficies de mica en el aire o el vacío . [6] Sin embargo, la técnica se ha ampliado para permitir que se introduzca un vapor o disolvente arbitrario entre las dos superficies. [7] De esta manera, se pueden sondear cuidadosamente las interacciones en varios medios y se puede ajustar la constante dieléctrica del espacio entre las superficies. Además, el uso de agua como disolvente permite la medición de interacciones entre moléculas biológicas (como lípidos en membranas biológicas o proteínas ) en su entorno nativo. En un entorno de disolvente, SFA puede incluso medir la solvatación oscilatoria y las fuerzas estructurales que surgen del empaquetamiento de capas individuales de moléculas de disolvente. También puede medir las fuerzas electrostáticas de "doble capa" entre superficies cargadas en un medio acuoso con electrolito .
Más recientemente, el SFA se ha ampliado para realizar mediciones dinámicas, determinando así las propiedades viscosas y viscoelásticas de los fluidos, las propiedades friccionales y tribológicas de las superficies y la interacción dependiente del tiempo entre las estructuras biológicas. [8]
Las mediciones de fuerza del SFA se basan principalmente en la Ley de Hooke ,
donde F es la fuerza de restauración de un resorte, k es la constante del resorte y x es el desplazamiento del resorte.
Mediante un resorte en voladizo, la superficie inferior se acerca a la superficie superior utilizando un micrómetro fino o un piezotubo. La fuerza entre las dos superficies se mide mediante
donde es el cambio de desplazamiento aplicado por el micrómetro y es el cambio de desplazamiento medido por interferometría.
Las constantes de resorte pueden variar desde hasta . [2] Al medir fuerzas mayores, se utilizaría un resorte con una constante de resorte más alta.
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