Chemical force microscopy
સામગ્રી વિજ્ઞાનમાં, રાસાયણિક બળ માઇક્રોસ્કોપી (સી. એફ. એમ.) એ અણુ બળ માઇક્રોસ્કોપી (એ. એફ. એમ.) ની વિવિધતા છે જે સામગ્રીની સપાટીઓની લાક્ષણિકતા માટે એક બહુમુખી સાધન બની ગયું છે. એ. એફ. એમ. સાથે, સરળ ટેપીંગ અથવા સંપર્ક પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને માળખાકીય આકારવિજ્ઞાનની તપાસ કરવામાં આવે છે, જે સતત પ્રોબ ડિફ્લેક્શન એમ્પ્લિટ્યુડ (સતત બળ સ્થિતિ) જાળવવા અથવા ટિપ ડિફ્લેક્શન (સતત ઊંચાઈ સ્થિતિ) માપતી વખતે ઊંચાઈ જાળવવા માટે ટીપ અને નમૂના વચ્ચે વેન ડેર વાલ્સની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનો ઉપયોગ કરે છે. બીજી બાજુ, સી. એફ. એમ. કાર્યરત પ્રોબ ટીપ અને નમૂના વચ્ચે રાસાયણિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનો ઉપયોગ કરે છે. પસંદગી રસાયણશાસ્ત્ર સામાન્ય રીતે સોનાની કોટેડ ટોચ અને સપાટી સાથે જોડાયેલ હોય છે, આર રસના કાર્યાત્મક જૂથો છે. સી. એફ. એમ. સપાટીઓની રાસાયણિક પ્રકૃતિ નક્કી કરવાની ક્ષમતાને સક્ષમ કરે છે, તેમની ચોક્કસ આકારવિજ્ઞાનને ધ્યાનમાં લીધા વગર, અને મૂળભૂત રાસાયણિક બંધન એન્થાલ્પી અને સપાટી ઊર્જાના અભ્યાસને સરળ બનાવે છે. સામાન્ય રીતે, સી. એફ. એમ. પ્રોબને પકડીને કેન્ટિલીવરની અંદર થર્મલ સ્પંદનો દ્વારા મર્યાદિત હોય છે. આ બળ માપન રીઝોલ્યુશનને ~ 1 પી. એન. સુધી મર્યાદિત કરે છે જે હજુ પણ ખૂબ જ યોગ્ય છે કારણ કે નબળી ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ જોડી દીઠ ~ 20 પી. એન. છે. સી. એફ. એમ. ની આ વિચારણા દરમિયાન હાઇડ્રોફોબિસિટીનો પ્રાથમિક ઉદાહરણ તરીકે ઉપયોગ થાય છે, પરંતુ ચોક્કસપણે આ પદ્ધતિથી કોઈપણ પ્રકારના બંધનની તપાસ કરી શકાય છે. પાયોનિયરિંગ કાર્ય સી. એફ. એમ. મુખ્યત્વે 1994માં હાર્વર્ડ યુનિવર્સિટી ખાતે ચાર્લ્સ લિબર દ્વારા વિકસાવવામાં આવ્યું છે. આ પદ્ધતિ હાઇડ્રોફોબિસિટીનો ઉપયોગ કરીને દર્શાવવામાં આવી હતી જ્યાં ધ્રુવીય અણુઓ (દા. ત. COOH) એકબીજા સાથે સૌથી મજબૂત બંધન ધરાવે છે, ત્યારબાદ બિનધ્રુવીય (દા. ત. CH3-CH3) બંધન, અને સંયોજન સૌથી નબળું છે. પ્રોબ ટીપ્સ કાર્યરત છે અને આ અણુઓ સાથે પેટર્નવાળા સબસ્ટ્રેટ્સ છે. કાર્યાત્મકતાના તમામ સંયોજનોનું પરીક્ષણ ટીપ સંપર્ક અને દૂર કરવા તેમજ બંને મોઈટીઝ સાથે પેટર્નવાળા સબસ્ટ્રેટ્સના અવકાશી મેપિંગ અને ઇમેજ કોન્ટ્રાસ્ટમાં પૂરકતાનું નિરીક્ષણ બંને દ્વારા કરવામાં આવ્યું હતું. આ બંને પદ્ધતિઓ નીચે ચર્ચા કરવામાં આવે છે. વપરાયેલ એ. એફ. એમ. સાધન આકૃતિ 1 જેવું જ છે. સંલગ્નતાનું બળ (તાણ પરીક્ષણ) આ સી. એફ. એમ. કામગીરીની સરળ રીત છે જ્યાં કાર્યાત્મક ટોચને સપાટીના સંપર્કમાં લાવવામાં આવે છે અને જે બળ પર વિભાજન થાય છે તેનું નિરીક્ષણ કરવા માટે ખેંચવામાં આવે છે, (આકૃતિ 2 જુઓ). સંલગ્નતા મિકેનિક્સનો જ્હોનસન-કેન્ડલ-રોબર્ટસ (જે. કે. આર.) સિદ્ધાંત આ મૂલ્યની આગાહી કરે છે (1) જ્યાં ટોચની ત્રિજ્યા છે, અને ટોચ, નમૂના અને માધ્યમ વચ્ચેની વિવિધ સપાટી ઊર્જા છે (નીચે ચર્ચા કરેલ પ્રવાહી). તે સામાન્ય રીતે SEM માંથી અને આપેલ મોઈટીઝ સાથે સબસ્ટ્રેટ્સ પરના સંપર્ક કોણ માપનમાંથી મેળવવામાં આવે છે. જ્યારે સમાન કાર્યાત્મક જૂથોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, અને જે બે અલગ-અલગ પરિબળો સાથે બે વાર આમ કરવામાં પરિણમે છે (દા. ત. અને) અને ના મૂલ્યો આપે છે, જે નક્કી કરવા માટે એક જ પ્રયોગમાં બંનેનો એકસાથે ઉપયોગ કરી શકાય છે. તેથી, સી. એફ. એમ. નિર્ધારિત મૂલ્યોની સરખામણી માટે કાર્યક્ષમતાના કોઈપણ સંયોજન માટે ગણતરી કરી શકાય છે. સમાન રીતે કાર્યાત્મક ટીપ અને સપાટી માટે, ટીપ ડિટેચમેન્ટ જેકેઆર થિયરી પણ વાસ્તવિક મૂલ્ય અને પોઈસન રેશિયોમાંથી મેળવેલ ટીપના "અસરકારક" યંગના મોડ્યુલસ સાથે (2) ની સંપર્ક ત્રિજ્યાની આગાહી કરે છે. જો કોઈ એક જ કાર્યાત્મક જૂથના અસરકારક ક્ષેત્રને જાણે છે, (દા. ત. ક્વોન્ટમ રસાયણશાસ્ત્ર સિમ્યુલેશનમાંથી), તણાવમાં ભાગ લેનારા લિગાન્ડ્સની કુલ સંખ્યાનો અંદાજ લગાવી શકાય છે જેમ કે અગાઉ જણાવ્યું હતું કે, સી. એફ. એમ. નું બળ રીઝોલ્યુશન વ્યક્તિને સૌથી નબળા પ્રકારનાં વ્યક્તિગત બંધની તપાસ કરવાની મંજૂરી આપે છે, પરંતુ ટોચનું વળાંક સામાન્ય રીતે આને અટકાવે છે. Eq2 નો ઉપયોગ કરીને, વળાંકની ત્રિજ્યા વ્યક્તિગત રેખીય મોઈટીઝના તાણ પરીક્ષણની જરૂરિયાત તરીકે નક્કી કરવામાં આવી છે. ઉલ્લેખ કરવા માટે એક ઝડપી નોંધ એ છે કે બળ રૂપરેખા (આકૃતિ 2) માં હિસ્ટ્રેસીસને અનુરૂપ કાર્ય બોન્ડ ઊર્જા સાથે સંબંધિત નથી. ટીપને પાછું ખેંચવામાં કરવામાં આવેલું કાર્ય બળ હોવાની સાથે વિરૂપતાની રેખીય વર્તણૂકને કારણે અને મુક્ત થાય તે પહેલાં તરત જ વિસ્થાપન હોવાને કારણે અંદાજિત છે. સંપર્કમાં અંદાજે 50 કાર્યાત્મક જૂથો માટે સામાન્યીકૃત ફ્રિસ્બી એટ અલના પરિણામોનો ઉપયોગ કરીને, કાર્ય મૂલ્યો અનુક્રમે 39 ઇ. વી., 0.25 ઇ. વી., અને 4.3 ઇ. વી. માટે, અને ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ તરીકે અંદાજવામાં આવે છે. આશરે, આંતરઆણ્વિક બંધ ઊર્જાની ગણતરી આના દ્વારા કરી શકાય છેઃ ઉત્કલન બિંદુ હોવા. આ મુજબ, ફોર્મિક એસિડ માટે, અને મિથેન માટે 9.73 એમ. ઇ. વી., દરેક મૂલ્ય પ્રયોગ સૂચવે છે તેના કરતા લગભગ 3 ક્રમ ઓછું હોય છે. જો સપાટીના નિષ્ક્રિયતાને ધ્યાનમાં લેવામાં આવી હોય (નીચે ચર્ચા કરવામાં આવી છે), તો પણ મોટી ભૂલ પુનઃપ્રાપ્ત ન થઈ શકે તેવી લાગે છે. સૌથી મજબૂત હાઇડ્રોજન બંધ ઊર્જામાં મહત્તમ ~ 1 eV હોય છે. આ ભારપૂર્વક સૂચવે છે કે કેન્ટિલીવર બોન્ડ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ માટે તેના કરતા નાના અથવા તેના ક્રમમાં બળ અચળાંક ધરાવે છે અને તેથી, તેને સંપૂર્ણપણે કઠોર તરીકે ગણી શકાય નહીં. જો બળ રીઝોલ્યુશન જાળવી રાખીને સખત કેન્ટિલીવર્સનો ઉપયોગ કરી શકાય તો આ સી. એફ. એમ. ની ઉપયોગીતા વધારવા માટે એક માર્ગ ખોલે છે. ઘર્ષણ બળ મેપિંગ રાસાયણિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનો ઉપયોગ વિવિધ કાર્યક્ષમતાઓ સાથે પૂર્વ-પેટર્નવાળા સબસ્ટ્રેટ્સને મેપ કરવા માટે પણ થઈ શકે છે (આકૃતિ 3 જુઓ). કોઈ કાર્યાત્મક જૂથો જોડાયેલ ન હોય તેવી ટોચ સાથે વિવિધ હાઇડ્રોફોબિસિટી ધરાવતી સપાટીનું સ્કેનીંગ કોઈ વિરોધાભાસ વિના છબી ઉત્પન્ન કરશે કારણ કે સપાટી મોર્ફોલોજીકલ રીતે લક્ષણવિહીન (સરળ એ. એફ. એમ. કામગીરી) છે. ટોચને હાઇડ્રોફિલિક તરીકે કાર્યાત્મક બનાવવાથી કેન્ટિલીવર વળવાનું કારણ બને છે જ્યારે ટીપ મજબૂત ટીપ-સબસ્ટ્રેટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે સબસ્ટ્રેટના હાઇડ્રોફિલિક ભાગોમાં સ્કેન કરે છે. આ સ્થિતિ સંવેદનશીલ ડિટેક્ટરમાં લેસર ડિફ્લેક્શન દ્વારા શોધાય છે તેથી સપાટીની રાસાયણિક રૂપરેખા છબી ઉત્પન્ન કરે છે. સામાન્ય રીતે, એક તેજસ્વી વિસ્તાર વિક્ષેપણના મોટા કંપનવિસ્તારને અનુરૂપ હોય છે જેથી મજબૂત બંધન સી. એફ. એમ. છબી નકશાના હળવા વિસ્તારોને અનુરૂપ હોય છે. જ્યારે કેન્ટિલીવર કાર્યાત્મકકરણને એવી રીતે ફેરવવામાં આવે છે કે તેના બદલે સબસ્ટ્રેટના હાઇડ્રોફોબિક વિસ્તારોનો સામનો કરતી વખતે ટોચ વળે છે, ત્યારે પૂરક છબી જોવા મળે છે. સબસ્ટ્રેટ પર ટોચ દ્વારા લાગુ કરવામાં આવેલા લંબરૂપ ભારની માત્રાને ઘર્ષણ બળ પ્રતિસાદ આકૃતિ 4 માં દર્શાવવામાં આવ્યો છે. વધતી ટીપ-સબસ્ટ્રેટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ એક તીવ્ર ઢોળાવ પેદા કરે છે, જેમ કે કોઈ અપેક્ષા રાખશે. પ્રાયોગિક મહત્વ એ હકીકત છે કે સપાટી પરની વિવિધ કાર્યો વચ્ચેનો તફાવત વધુ લંબરૂપ બળના ઉપયોગથી વધારી શકાય છે. અલબત્ત, આ સબસ્ટ્રેટને સંભવિત નુકસાનની કિંમત પર આવે છે. પરિઘઃ પ્રવાહી કેશિકા બળમાં માપ એ તાણ બળ માપનમાં એક મોટી સમસ્યા છે કારણ કે તે અસરકારક રીતે ટોચ-સપાટીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને મજબૂત કરે છે. તે સામાન્ય રીતે આસપાસના વાતાવરણમાંથી સબસ્ટ્રેટ્સ પર શોષાયેલા ભેજને કારણે થાય છે. આ વધારાના બળને દૂર કરવા માટે, પ્રવાહીમાં માપન કરી શકાય છે. એક્સ-ટર્મિનેટેડ ટીપ અને પ્રવાહી એલમાં સબસ્ટ્રેટ સાથે, ફેડના ઉમેરાની ગણતરી WXLX = 2γLL સાથે Eq1 નો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે; એટલે કે, પ્રવાહી અણુઓના એકબીજા તરફના આકર્ષણમાંથી વધારાનું બળ આવે છે. ETOH માટે આ ~ 10 pN છે જે હજુ પણ સૌથી નબળા ધ્રુવીય/બિનધ્રુવીય ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ (~ 20 pN) ના નિરીક્ષણ માટે પરવાનગી આપે છે. પ્રવાહીની પસંદગી તેના પર નિર્ભર કરે છે કે કઈ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ રસ ધરાવે છે. જ્યારે દ્રાવક કાર્યાત્મક જૂથો સાથે અમિશ્રણીય હોય છે, ત્યારે સામાન્ય ટોચ-સપાટી બંધ અસ્તિત્વ ધરાવે છે. તેથી, કાર્બનિક દ્રાવકો વેન ડેર વાલ્સ અને હાઇડ્રોજન બંધનના અભ્યાસ માટે યોગ્ય છે જ્યારે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ હાઇડ્રોફોબિક અને ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક દળોની તપાસ માટે શ્રેષ્ઠ છે. નેનોસાયન્સમાં ઉપયોગો નેનોસ્કેલ સ્તરે સી. એફ. એમ. નું જૈવિક અમલીકરણ એ કાર્યાત્મક ટોચ અને સપાટી સાથે પ્રોટીનનું પ્રગટ થવું છે (આકૃતિ 5 જુઓ). વધતા સંપર્ક વિસ્તારને કારણે, ટોચ અને સપાટી પ્રોટીનના બંડલને પકડીને લંગર તરીકે કામ કરે છે જ્યારે તેઓ અલગ થાય છે. જેમ જેમ અનકોઈલિંગ થાય છે તેમ, અનકોઈલિંગના વિવિધ તબક્કાઓને સૂચવતા બળની જરૂર પડે છેઃ (1) બંડલમાં વિભાજન, (2) વેન ડેર વાલ્સ દળો દ્વારા એકસાથે રાખવામાં આવેલા સ્ફટિકીય પ્રોટીનના ક્ષેત્રોમાં બંડલ વિભાજન, અને (3) ગૌણ બંધનને પાર કરવા પર પ્રોટીનનું રેખીયકરણ. આ જટિલ પ્રોટીનની આંતરિક રચના વિશેની માહિતી, તેમજ ઘટક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની વધુ સારી સમજણ આ પદ્ધતિ દ્વારા પૂરી પાડવામાં આવે છે. બીજી વિચારણા એ છે કે જે અનન્ય નેનોસ્કેલ સામગ્રી ગુણધર્મોનો લાભ લે છે. કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ (સરળતાથી> 1000) ના ઉચ્ચ એસ્પેક્ટ રેશિયોનો ઉપયોગ ઊંડી લાક્ષણિકતાઓ સાથે છબી સપાટીઓ માટે કરવામાં આવે છે. કાર્બન સામગ્રીનો ઉપયોગ કાર્યાત્મક રસાયણશાસ્ત્રને વિસ્તૃત કરે છે કારણ કે નેનોટ્યુબની બાજુની દિવાલોના રાસાયણિક ફેરફાર માટે અગણિત માર્ગો છે (દા. ત. ડાયઝોનિયમ, સરળ આલ્કાઈલ્સ, હાઇડ્રોજન, ઓઝોન/ઓક્સિજન અને એમાઇન્સ સાથે). મલ્ટીવોલ નેનોટ્યુબ્સનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે તેમની કઠોરતા માટે થાય છે. તેમના આશરે સમતલીય છેડાઓને કારણે, ટ્યુબના વ્યાસને જાણીને સબસ્ટ્રેટના સંપર્કમાં રહેલા કાર્યાત્મક જૂથોની સંખ્યા અને દિવાલોની સંખ્યાનો અંદાજ લગાવી શકાય છે જે એક ભાગ ટેનસાઈલ ગુણધર્મો નક્કી કરવામાં મદદ કરે છે. ચોક્કસપણે, આ પદ્ધતિની જનજાતિશાસ્ત્રમાં પણ સ્પષ્ટ અસરો છે. સંદર્ભો માઇક્રોસ્કોપી સ્કેનીંગ પ્રોબ માઇક્રોસ્કોપી