原子力顯微鏡經過三十年的發展,技術趨于成熟,在真空下可以達到“原子級”分辨率。但是在實際應用中,絕大多數實驗環境需要大氣環境甚至液體環境。這兩種環境下探針固有的低Q值使圖像分辨率急劇變差,甚至無法達到納米水平。SPM-8100FM真是為了解決此困境而生。運用創新性的調頻技術,SPM-8100FM突破了復雜環境影響分辨率的瓶頸,在液體環境下也能達到傳統原子力顯微鏡在真空中的分辨率,大地擴展了原子力顯微鏡的應用范圍。
1.在納米材料中的應用
納米材料是原子力顯微鏡的傳統應用領域。作為具有納米級分辨率的觀察工具,原子力顯微鏡在此領域的作用無可替代。SPM-8100FM在大氣環境下即可實現亞納米級的分辨率,相比起傳統模式真空型原子力顯微鏡,既節省了費用,又降低了操作復雜程度,同時獲得了更清晰的圖像。
觀察在大氣中解理的聚丁二炔結晶表面。將廣域圖像(左圖)中觀察到的臺階擴大,如右圖,沿著與b軸平行的間隔0.75nm的丁二炔主鏈,可以觀察到相隔0.5nm排列的PTS側鏈。因為可以觀察到原子缺陷,所以通過圖像處理可證明不是傅里葉變換周期像而是實際形貌像。
上圖是在純凈水中對方解石表面結構的原子級分辨率觀察。在左圖中可以觀察到方解石表面的缺陷。
2.在高分子材料及薄膜類材料中的應用
高分子材料及薄膜類材料往往比較柔軟,表面楊氏模量較小。因此傳統的掃描模式,無論接觸模式還是調幅模式,探針都無法避免與樣品間的作用,對樣品的表面有損傷。在此條件下用原子力顯微鏡進行楊氏模量掃描也往往誤差很大。SPM-8100FM基于頻率的高靈敏度個高速率反饋,實現了非接觸掃描,在掃描過程中,探針能很好地保持與樣品間的距離,不碰觸樣品,實現了對高分子材料及薄膜材料的無損檢測。
N,N-雙(烷基)-萘二酰亞胺是個四環結構,在液體環境中觀察小區域的分子結構,可以清楚看到這種四環結構重復。
3.生物高分子
在現有條件下,無法實現在生理環境下對生物高分子的高分辨掃描。因為生物高分子只有在嚴格的緩沖液環境中才有活性,如果進行干燥處理,此類分子會發生變性從而失去活性。而在液體環境中,傳統的調幅模式受制于水的粘滯阻力導致的振動質量因子降低,無法實現高分辨成像。SPM-8100FM不受液體環境的影響,無疑為生物高分子在生理環境下的檢測提供了好的解決方案。
在生理環境下(PBS溶液),觀察DNA的雙螺旋結構?梢郧逦乜吹酱鬁闲系膮^分。測量螺距為3.7nm,與理論值3.6nm幾乎完全吻合。
在一個螺距的兩條鏈上做剖面線,可以的到堿基的分布,每條鏈上部的4個堿基清晰可見,證明該圖達到了分子基團級別的分辨率。
4.界面物理與界面化學
絕大多數反應都需要分散體系,液體分散系是常用的。物理化學及界面化學對反應發生的固液交界面結構多有分析,也形成了很多固液界面結構的理論。但是長久以來,這樣的理論只能通過數理計算和宏觀統計予以支持,雖然也提出了很多模型,但都止步于具體觀測。常規的紅外光譜或者X射線分析,只能通過譜線分析含量與類型。
SPM-8100FM因為具有高的信號靈敏度和反饋速度,因此可以獲取固液交界面及界面以上一段距離內的勢能場分布,并形成一張直觀的三維分布圖。利用此圖像,不僅可以得到界面不同高度的物質分布,還可以與其他分析儀器一起,分析得到電荷作用,鍵的行成與斷裂等信息。對于分子自組裝、膠體化學、催化機理、化學鍵理論等的研究都有直接的促進。
固液界面處液體的分層是物理化學理論中被廣為接受的認識。但是一直沒有直接的實驗數據給與驗證。SPM-8100FM因為具有高的對作用力的分辨率,因此可以分辨這種液體分層現象。依據固體與液體的不同,分層一般為2-5層,總厚度在0.5nm以內。這是原子力顯微鏡首次可以掃描液體,突破了只能針對固體表面測試的界限。
依托SPM-8100FM好的分辨率和廣泛的應用,相信該儀器會在眾多科研領域中占有一席之地,為科學進步技術發展貢獻一份力量。