一種研究單分子層的摩擦學的方法與流程
2023-05-02 11:45:16 2
本發明涉及摩擦學領域，特別是一種能夠原位觀測並估計受約束層的應變率和剪切率的一種研究單分子層的摩擦學的方法。
背景技術：
工業上涉及表面接觸的應用往往會具有兩個滑動表面之間的高約束條件，壓強在mpa或gpa範圍，通常使用潤滑層來減少摩擦，摩擦過程由不同的潤滑機制決定，依賴於潤滑層的厚度和黏度。從1980年代，由於能夠在分子甚至原子尺度進行研究的儀器不斷被發明，在摩擦學上對混合區域及邊界區域的研究主要包括：一是納米摩擦學，主要研究高約束條件下的剪切分子薄膜，技術有表面-力儀器(sfa)和原子力顯微鏡(afm)，二是最近出現的微流體元件，引導了對剪切流體-固體界面的界面滑移速度的研究的熱潮，主要由雷射速度測量學技術或動態表面-力儀器來研究，以上兩個領域為在約束條件和剪切下同時包含流體和固體行為的合成材料提供了有價值的信息。在高約束薄膜的表面力研究中，關鍵的參數主要是表面的分子粗糙度，相關流體的分子屬性和表面-流體相互作用，表面-力儀器(sfa)被廣泛使用於研究受限牛頓液體和細胞膜的流體力學和流體邊界條件。在以上兩種情況中，表面-力儀器(sfa)實驗的精度在納米量級，顯示了高度受限的薄膜的材料特性有不同之處，剪切應力方面的信息可以從法相逼近恆定速度的反向雲母表面非間接地得到，或者垂直與平面的小振幅的振蕩。
為了更好地表徵受限接觸中剪切的流變學機制，一系列的儀器被開發出來：剪切實驗結合了原位探針技術如ftir、散射儀器、光學成像、譜學技術等。以上所述這幾種技術的結合有助於量化分子在剪切場中的取向以及弛豫，或是實時地探測分子在承壓液體中的再定位。一些結合了螢光染料的譜學方法被用於受限薄膜中，來研究法向或側向壓力作用後的分子弛豫或者是修正受限液體中螢光分子的擴散係數，但是其缺點是：最大法向負載太小。螢光技術是在分子尺度估計分子擴散係數和速度的良好手段。流體的側向運動通常用光脫色螢光恢復技術來研究，這個方法可以與表面-力儀器(sfa)結合，用來研究受限條件下無剪切運動的聚合物鏈的擴散係數，同時，這個技術依靠表面-液體相互作用用來估計剪切流或者是局域分子摩擦。
在較低的壓強範圍，高接觸區域的條件，現有技術有螢光探針的宏觀摩擦計，給出了剪切的平均信息。但是，目前缺少的是可以提供剪切率以及局域剪切應力隨平均接觸壓力變化的裝置，缺少一種能夠分析在毫米尺度接觸面受到10mpa以上平均接觸壓強的高度受限薄膜的摩擦相關參數的方法，所述一種研究單分子層的摩擦學的方法能解決問題。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明目的是研究受約束的超薄薄膜在一個可控的平均接觸壓力作用下的剪切應力等特性，能夠在對樣品施加壓力並原位監控受限區域的同時記錄分子擴散和速度流，從而可以同時得到原位剪切力信息和速度場的信息，最終的目標是克服在毫米尺度的接觸區域對一個納米尺度的層進行測量得到速度信息的技術難點，實現原位觀測並估計受約束層的應變率和剪切率。
本發明所採用的技術方案是：
所述一種研究單分子層的摩擦學的方法，裝置主要包括攝像頭、快門i、濾光片、光電倍增管、計算機、鎖相放大器、雷射器、起偏器、普克爾盒、檢偏器、快門ii、分光器i、平面鏡i、分光器ii、樣品、球面壓頭、平面鏡ii、力探測器，所述光電倍增管、計算機、平面鏡i分別電纜連接於所述鎖相放大器，所述平面鏡i連接有位移臺，所述球面壓頭上方具有所述平面鏡ii、力探測器，所述球面壓頭由一個位移機構控制，所述球面壓頭由玻璃製成且工作時向下壓在所述樣品表面，所述樣品置於一塊固定的載玻片上方，所述樣品表面產生的光可以通過所述球面壓頭向上方傳輸至所述平面鏡ii，所述平面鏡ii將光反射到所述攝像頭，通過所述攝像頭能夠原位監控所述球面壓頭與所述樣品表面的接觸面，所述力探測器能夠測量所述球面壓頭與所述樣品表面之間的法向力及切向力，方法步驟為：
一.所述球面壓頭對所述樣品施加壓力，所述力探測器測量法向負載；
二.所述雷射器發射的雷射束經過所述起偏器、普克爾盒、檢偏器、快門ii後，由所述分光器i分為兩束雷射，一束雷射經過距離l直接通過所述載玻片照射於所述樣品，另一束雷射經過距離a後到達所述平面鏡i，經過所述平面鏡i反射後通過所述載玻片照射於所述樣品，上述照射於所述樣品的兩束雷射呈θ角，從而在所述樣品表面處產生光的幹涉圖案，所述樣品上被光照亮的區域面積約二平方毫米，所述樣品發出的光依次經過所述分光器ii、快門i、濾光片後進入所述光電倍增管；
三.通過調節所述距離a和l的長度，能夠改變所述角θ的值，從而改變所述樣品表面幹涉條紋間距i；
四.通過所述普克爾盒及所述快門ii使雷射產生一個小於1秒的極短的滿強度的脈衝，對亮條紋處的螢光標記的相應種類的分子進行光脫色，在光脫色過程結束後，所述雷射器連續發射光強為i(r，t)的雷射，用於探測樣品表面的螢光變化；
五.通過位移臺對所述平面鏡i進行位置調製，使得所述平面鏡i沿其法向方向以頻率800hz進行正弦振動，從而改變所述樣品表面處幹涉條紋位置；
六.所述球面壓頭開始作平行於樣品表面的水平方向滑動，所述力探測器測量所述樣品表面切向力；
七.通過位於雷射光路之外的所述攝像頭原位監測所述樣品接觸區域面積a，並由所述計算機計算平均接觸壓強平均剪切應力等參數，所述攝像頭既能夠原位觀測接觸面，又能夠記錄螢光信號；
八.所述光電倍增管收集光漂白後由於分子擴散運動而新出現的螢光信號，然後通過所述鎖相放大器進行分析，所述光電倍增管探測到的螢光信號以電壓形式輸入到所述鎖相放大器，從而得到樣品表面亮條紋部分與暗條紋部分的螢光強度之比，即平均對比度c(t)，所述光電倍增管測得的螢光信號f(t)與被螢光標記的分子的濃度cm(r，t)和探測光強i(r，t)相關
其中和是cm(r，t)和i(r，t)的空間傅立葉變換，f(t)可以分解為調製頻率的諧波級數，實驗中，一階和二階的諧波分量f1(t)和f2(t)可以通過所述鎖相放大器同時得到；
九.最終的實驗數據給出暗條紋與亮條紋之間的平均對比度上式用一個指數衰減來表徵布朗擴散行為；
十.由能夠求出弛豫時間τq，由弛豫時間τq與擴散係數d的關係q為條紋圖案的空間周期，能夠求出擴散係數d；
十一.螢光標定種類的分子的漂移速度vd的獲得：
螢光標定種類的分子的漂移速度vd會使得信號有一個頻率的振蕩，其中i是所述樣品表面幹涉條紋間距，實驗上，能夠通過對所述鎖相放大器測得的數據進行擬合來得到該頻率f，並結合已知的幹涉條紋間距i，便可以由vd＝f×i得出相應的螢光標定種類的分子的漂移速度。
在所述樣品底部加上一個長方形掩膜，以從接觸區域得到足夠多的螢光信號，能夠提高信噪比，並儘可能減少全部的光漂白區域的光信號。
普克爾盒是一種電光器件，它包含一個由光通過的電光晶體，基於普克耳斯效應，能夠通過施加到晶體上的電壓來調控光的偏振方向以及改變光通過晶體後的位相延遲。
本發明的有益效果是：
本發明裝置是將摩擦計和速度測量學實驗結合的儀器，能夠可視化呈現接觸區域，使用快速傅立葉變換來分析螢光信號，使得可以測量界面區域的漂移速度。使用這個方法可表徵玻璃表面的單層油脂的剪切應力，能夠用於研究多種表面的流體動力學問題，比如固體聚合物的潤滑、生物潤滑、摩擦等。
附圖說明
下面結合本發明的圖形進一步說明：
圖1是本發明裝置示意圖。
圖中，1.攝像頭，2.快門i，3.濾光片，4.光電倍增管，5.計算機，6.鎖相放大器，7.雷射器，8.起偏器，9.普克爾盒，10.檢偏器，11.快門ii，12.分光器i，13.平面鏡i，14.分光器ii，15.樣品，16.球面壓頭，17.平面鏡ii，18.力探測器。
具體實施方式
如圖1是本發明裝置示意圖，主要包括攝像頭1、快門i2、濾光片3、光電倍增管4、計算機5、鎖相放大器6、雷射器7、起偏器8、普克爾盒9、檢偏器10、快門ii11、分光器i12、平面鏡i13、分光器ii14、樣品15、球面壓頭16、平面鏡ii17、力探測器18，所述光電倍增管4、計算機5、平面鏡i13分別電纜連接於所述鎖相放大器6，所述平面鏡i13連接有位移臺，所述球面壓頭16上方具有所述平面鏡ii17、力探測器18，所述球面壓頭16由一個位移機構控制，所述球面壓頭16由玻璃製成且工作時向下壓在所述樣品15表面，所述樣品15置於一塊固定的載玻片上方，所述樣品15表面產生的光可以通過所述球面壓頭16向上方傳輸至所述平面鏡ii17，所述平面鏡ii17將光反射到所述攝像頭1，通過所述攝像頭1能夠原位監控所述球面壓頭16與所述樣品15表面的接觸面，所述力探測器18能夠測量所述球面壓頭16與所述樣品15表面之間的法向力及切向力。
所述一種研究單分子層的摩擦學的方法，步驟為：
一.所述球面壓頭16對所述樣品15施加壓力，所述力探測器18測量法向負載；
二.所述雷射器7發射的雷射束經過所述起偏器8、普克爾盒9、檢偏器10、快門ii11後，由所述分光器i12分為兩束雷射，一束雷射經過距離l直接通過所述載玻片照射於所述樣品15，另一束雷射經過距離a後到達所述平面鏡i13，經過所述平面鏡i13反射後通過所述載玻片照射於所述樣品15，上述照射於所述樣品15的兩束雷射呈θ角，從而在所述樣品15表面處產生光的幹涉圖案，所述樣品15上被光照亮的區域面積約二平方毫米，所述樣品15發出的光依次經過所述分光器ii14、快門i2、濾光片3後進入所述光電倍增管4；
三.通過調節所述距離a和l的長度，能夠改變所述角θ的值，從而改變所述樣品15表面幹涉條紋間距i；
四.通過所述普克爾盒9及所述快門ii11使雷射產生一個小於1秒的極短的滿強度的脈衝，對亮條紋處的螢光標記的相應種類的分子進行光脫色，在光脫色過程結束後，所述雷射器7連續發射光強為i(r，t)的雷射，用於探測樣品表面的螢光變化；
五.通過位移臺對所述平面鏡i13進行位置調製，使得所述平面鏡i13沿其法向方向以頻率800hz進行正弦振動，從而改變所述樣品15表面處幹涉條紋位置；
六.所述球面壓頭16開始作平行於樣品表面的水平方向滑動，所述力探測器18測量所述樣品15表面切向力；
七.通過位於雷射光路之外的所述攝像頭1原位監測所述樣品15接觸區域面積a，並由所述計算機5計算平均接觸壓強平均剪切應力等參數，所述攝像頭1既能夠原位觀測接觸面，又能夠記錄螢光信號；
八.所述光電倍增管4收集光漂白後由於分子擴散運動而新出現的螢光信號，然後通過所述鎖相放大器6進行分析，所述光電倍增管4探測到的螢光信號以電壓形式輸入到所述鎖相放大器6，從而得到樣品表面亮條紋部分與暗條紋部分的螢光強度之比，即平均對比度c(t)，所述光電倍增管4測得的螢光信號f(t)與被螢光標記的分子的濃度cm(r，t)和探測光強i(r，t)相關
其中和是cm(r，t)和i(r，t)的空間傅立葉變換，f(t)可以分解為調製頻率的諧波級數，實驗中，一階和二階的諧波分量f1(t)和f2(t)可以通過所述鎖相放大器6同時得到；
九.最終的實驗數據給出暗條紋與亮條紋之間的平均對比度上式用一個指數衰減來表徵布朗擴散行為；
十.由能夠求出弛豫時間τq，由弛豫時間τq與擴散係數d的關係q為條紋圖案的空間周期，能夠求出擴散係數d；
十一.螢光標定種類的分子的漂移速度vd的獲得：
螢光標定種類的分子的漂移速度vd會使得信號有一個頻率的振蕩，其中i是所述樣品15表面幹涉條紋間距，實驗上，能夠通過對所述鎖相放大器6測得的數據進行擬合來得到該頻率f，並結合已知的幹涉條紋間距i，便可以由vd＝f×i得出相應的螢光標定種類的分子的漂移速度。
在所述樣品15底部加上一個長方形掩膜，以從接觸區域得到足夠多的螢光信號，能夠提高信噪比，並儘可能減少全部的光漂白區域的光信號。
所述普克爾盒9是一種電光器件，它包含一個由光通過的電光晶體，基於普克耳斯效應，能夠通過施加到晶體上的電壓來調控光的偏振方向以及改變光通過晶體後的位相延遲。
實驗中，所述球面壓頭16在所述樣品15表面運動，所述樣品15的法相負載fn、切向力ft、所述球面壓頭16滑動速度v，都是通過所述計算機5控制；摩擦係數μ通過計算得到；實驗中具有顯微鏡可以原位觀測所述球面壓頭16與所述樣品15表面之間的接觸區域，通過所述力探測器18及所述計算機5能夠分析實驗參數並控制所述球面壓頭16運動；通過本發明裝置原位採集的數據，能夠得到接觸區域面積a的平均值，並由所述計算機5計算平均接觸壓強平均剪切應力等參數。