Атомно-силовая микроскопия (АСМ, Atomic Force Microscopy, AFM) является ключевым методом исследования поверхности материалов на нано- и микромасштабах. Основной принцип работы АСМ заключается в регистрации взаимодействий между острием зонда и поверхностью образца с субнанометровой точностью.
Зонд, как правило, представляет собой острый кончик, закреплённый на гибкой кантилевере (балке). При сближении с поверхностью возникают силы межмолекулярного взаимодействия: ван-дер-ваальсовы, электростатические, магнитные, капиллярные и химические. Эти силы вызывают отклонение кантилевера, которое регистрируется с помощью лазерного луча, отражённого от верхней поверхности кантилевера на фотодетектор.
АСМ позволяет измерять как топографию поверхности, так и её механические, электрические, магнитные и химические свойства, обеспечивая комплексное понимание структуры мягкой материи.
Контактный режим В контактном режиме остриё кантилевера постоянно находится в контакте с поверхностью образца. Сила взаимодействия между зондом и поверхностью поддерживается постоянной, что позволяет регистрировать топографию с высоким разрешением. Преимущества: высокая пространственная точность, возможность исследования жёстких и умеренно мягких материалов. Ограничения: при изучении крайне мягких образцов возможна деформация поверхности, а также зонда, что может исказить данные.
Динамический (трептательный) режим Зонд колеблется с резонансной частотой кантилевера, не касаясь поверхности или слегка взаимодействуя с ней. Изменение амплитуды, фазы или частоты колебаний позволяет получить информацию о топографии и локальных свойствах поверхности. Преимущества: минимальное воздействие на мягкие образцы, возможность картирования механических свойств. Ограничения: сложность интерпретации сигналов при сложной топографии.
Безконтактный режим В этом режиме кантилевер удерживается на расстоянии, где доминируют силы дальнего действия, например, ван-дер-ваальсовы. Этот режим позволяет исследовать крайне чувствительные и мягкие поверхности без их деформации.
Для мягкой материи характерны значительные деформации под воздействием зонда. Это приводит к необходимости использования специализированных кантилеверов с низкой жесткостью и контроля силы контакта. Основные силы, влияющие на зонд, включают:
Моделирование взаимодействия зонда с мягкой поверхностью позволяет оценить локальные механические свойства, такие как упругость, вязкость и адгезия, с субнанометровым разрешением.
АСМ активно используется для измерения локальных механических характеристик мягкой материи, таких как биологические мембраны, полимеры, гели и липидные структуры.
Пространственное разрешение АСМ зависит от формы и радиуса кончика зонда, жесткости кантилевера и режима работы. В современных приборах разрешение достигает субнанометрового уровня по вертикали и единиц нанометров по горизонтали.
Точность измерений требует учета следующих факторов:
Для мягкой материи критически важен выбор режима работы и силы взаимодействия, чтобы предотвратить деформацию или разрушение образца.
АСМ позволяет одновременно получать топографическую карту поверхности и количественную информацию о физических свойствах на наноуровне, что делает метод незаменимым в исследовании мягкой материи.