Новости науки | ||||
19.03.01. Консервативные и диссипативные силы в атомном силовом микроскопе | ||||
Атомная силовая микроскопия (АСМ) -- мощный экспериментальный
метод исследования поверхности на микроскопическом и атомном уровне.
Однако несмотря на уже достаточно долгое и успешное его применение,
до сих пор не были изучены в деталях силы, возникающие
между острием атомного силового микроскопа и исследуемой поверхностью.
В работе [B.Gotsmann and H.Fuchs, Phys.Rev.Lett. 86, 2597 (2001)]
такой анализ был, наконец, проведен.
Авторы этой работы справедливо замечают, что применения АСМ
не должны ограничиваться просто "снимками" профиля исследуемой поверхности.
В частности, до сих пор игнорировалась возможность изучить
и проанализировать все типы сил, которые возникают между
иглой АСМ и поверхностью. Такие исследования
были бы интересны как с точки зрения фундаментальных исследований
межатомных сил, так и для более аккуратного и контролируемого применения
АСМ. Интересно отметить, что в таком подходе несколько
смещаются акценты: ранее АСМ был лишь прибором для исследования
поверхности, а теперь он сам становится частью исследуемой системы.
Методика измерения сил в АСМ, использованная в этой работе,
заключается в следующем.
Острие АСМ расположено на конце микроскопического рычага,
обладающего собственной резонансной частотой и некоторым коэффициентом
затухания колебаний. Когда острие АСМ движется вблизи поверхности
и ощущает на себе воздействие межатомных сил, то резонансная
частота колебания рычага смещается. Кроме того, если между
острием и поверхностью существуют какие-либо диссипативные силы,
то они приведут к большему коэффициенту затухания колебаний.
Таким образом, измеряя резонансную частоту и добротность колебаний,
можно исследовать как консервативные (потенциальные), так
и диссипативные силы.
Результат измерения консервативных сил показан на Рис.1.
Здесь представлены экспериментальные данные и результаты теоретических
предсказаний (сплошная кривая)
[V.M.Muller et al, J. Colloid. Interface Sci. 77, 91 (1980)]
для силы между острием и поверхностью.
По оси абсцисс отложено абсолютное расстояние в нанометрах
между острием и поверхностью (отрицательные значения
расстояния означают, что острие вдавливается
в поверхность), по оси ординат -- сила в наноньютонах.
Заметим, что в этом сравнении нет никаких подгоночных параметров:
предсказания сравниваются с данными напрямую.
Видно, что как на больших, так и на очень малых расстояниях
имеется очень хорошее согласие между двумя графиками.
На расстояниях в несколько ангстрем есть, однако, существенное
расхождение. По-видимому, это связано с тем, что
сила притяжения в теоретических предсказаниях базировалась
лишь на ван-дер-ваальсовом взаимодействии. В реальности же
на таких расстояниях должна сильно проявляться и
дополнительная сила притяжения, обусловленная взаимодействием
электронов острия и поверхности.
В подтверждение этой гипотезы авторы приводят график
разности между двумя кривыми (см. вставку на Рис.1)
и указывают на ее примерно экспоненциальное падение с расстоянием.
А экспонента -- это как раз тот закон, по которому электронные
облака затухают на больших расстояниях от атома.
Вторая часть работы заключалась в измерении диссипативного
взаимодействия между иглой АСМ и поверхностью -- некой эффективной
силы трения при движении острия АСМ над поверхностью.
На Рис.2 показана диссипативная мощность как фукнция расстояния.
Видно, что (1) эффект трения существует и при довольно больших
расстояниях между иглой и поверхностью и (2) асимптотически,
при больших расстояниях дополнительный коэффициент затухания
ведет себя обратно пропорционально кубу расстояния
(кривая g3).
Природа этой силы пока не выяснена. С одной стороны,
в литературе существует несколько моделей подобных сил,
но с другой стороны, эти модели зачастую противоречат друг другу
и, кроме того, дают типичные значения диссипативных сил,
значительно меньшие полученных в эксперименте.
Поэтому авторы работы воздерживаются от
постулативных утверждений на эту тему.
| ||||
|