Chemical force microscopy
सामग्री विज्ञान में, रासायनिक बल सूक्ष्मदर्शी (सी. एफ. एम.) परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (ए. एफ. एम.) की एक भिन्नता है जो सामग्री सतहों के लक्षण वर्णन के लिए एक बहुमुखी उपकरण बन गया है। ए. एफ. एम. के साथ, संरचनात्मक आकृति विज्ञान की जांच सरल दोहन या संपर्क मोड का उपयोग करके की जाती है जो एक निरंतर जांच विक्षेपण आयाम (स्थिर बल मोड) को बनाए रखने के लिए टिप और नमूने के बीच वैन डेर वाल्स बातचीत का उपयोग करते हैं या टिप विक्षेपण (स्थिर ऊंचाई मोड) को मापते समय ऊंचाई बनाए रखते हैं। दूसरी ओर, सी. एफ. एम. कार्यात्मक प्रोब टिप और नमूने के बीच रासायनिक अंतःक्रिया का उपयोग करता है। चॉइस केमिस्ट्री आम तौर पर सोने की परत वाली नोक और सतह होती है जिसमें थियोल जुड़े होते हैं, आर रुचि के कार्यात्मक समूह होते हैं। सी. एफ. एम. सतहों की रासायनिक प्रकृति को निर्धारित करने की क्षमता को सक्षम बनाता है, चाहे उनकी विशिष्ट आकृति विज्ञान कुछ भी हो, और बुनियादी रासायनिक बंधन एन्थैल्पी और सतह ऊर्जा के अध्ययन की सुविधा प्रदान करता है। आमतौर पर, सी. एफ. एम. जांच को पकड़ने वाले कैंटिलीवर के भीतर थर्मल कंपन द्वारा सीमित होता है। यह बल मापन संकल्प को ~ 1 पी. एन. तक सीमित करता है जो अभी भी बहुत उपयुक्त है क्योंकि कमजोर अंतःक्रियाएँ प्रति जोड़ी ~ 20 पी. एन. हैं। सी. एफ. एम. के इस विचार के दौरान हाइड्रोफोबिसिटी का उपयोग प्राथमिक उदाहरण के रूप में किया जाता है, लेकिन निश्चित रूप से इस विधि के साथ किसी भी प्रकार के बंधन की जांच की जा सकती है। अग्रगामी कार्य सी. एफ. एम. को मुख्य रूप से 1994 में हार्वर्ड विश्वविद्यालय में चार्ल्स लिबर द्वारा विकसित किया गया है। विधि को हाइड्रोफोबिसिटी का उपयोग करके प्रदर्शित किया गया था जहां ध्रुवीय अणु (जैसे। सी. ओ. ओ. एच.) में एक दूसरे के लिए सबसे मजबूत बंधन होता है, इसके बाद गैर-ध्रुवीय (जैसे। CH3-CH3) बंधन, और एक संयोजन सबसे कमजोर है। प्रोब टिपस कार्यात्मक होते हैं और सब्सट्रेट इन अणुओं के साथ पैटर्न किए जाते हैं। कार्यात्मकता के सभी संयोजनों का परीक्षण किया गया, दोनों टिप संपर्क और हटाने के साथ-साथ दोनों क्षणों के साथ पैटर्न किए गए सब्सट्रेट के स्थानिक मानचित्रण और छवि कंट्रास्ट में पूरकता का निरीक्षण किया गया। इन दोनों तरीकों की चर्चा नीचे की गई है। उपयोग किया गया ए. एफ. एम. उपकरण चित्र 1 के समान है। आसंजन बल (तन्यता परीक्षण) यह सी. एफ. एम. संचालन का सरल तरीका है जहां एक कार्यात्मक नोक को सतह के संपर्क में लाया जाता है और उस बल का निरीक्षण करने के लिए खींचा जाता है जिस पर पृथक्करण होता है, (चित्र 2 देखें)। आसंजन यांत्रिकी का जॉनसन-केंडल-रॉबर्ट्स (जे. के. आर.) सिद्धांत इस मान की भविष्यवाणी करता है (1) जहां नोक की त्रिज्या होने के साथ, और नोक, नमूने और माध्यम के बीच विभिन्न सतह ऊर्जाएं हैं (नीचे चर्चा किए गए तरल पदार्थ)। यह आमतौर पर एस. ई. एम. से और दिए गए संकेतों के साथ सब्सट्रेट पर संपर्क कोण माप से प्राप्त किया जाता है। जब एक ही कार्यात्मक समूहों का उपयोग किया जाता है, और जिसके परिणामस्वरूप दो अलग-अलग शब्दों के साथ दो बार ऐसा किया जाता है (जैसे। और) और के मान देता है, जो दोनों का निर्धारण करने के लिए एक ही प्रयोग में एक साथ उपयोग किया जा सकता है। इसलिए, सी. एफ. एम. निर्धारित मूल्यों की तुलना के लिए कार्यात्मकताओं के किसी भी संयोजन के लिए गणना की जा सकती है। समान रूप से कार्यात्मक नोक और सतह के लिए, नोक पर अलगाव जेकेआर सिद्धांत भी वास्तविक मूल्य और पॉइसन अनुपात से प्राप्त नोक के "प्रभावी" यंग के मापांक के साथ (2) के संपर्क त्रिज्या की भविष्यवाणी करता है। यदि कोई एकल कार्यात्मक समूह के प्रभावी क्षेत्र को जानता है, (जैसे। क्वांटम केमिस्ट्री सिमुलेशन से), तनाव में भाग लेने वाले लिगेंडों की कुल संख्या का अनुमान लगाया जा सकता है जैसा कि पहले कहा गया है, सी. एफ. एम. का बल संकल्प किसी को सबसे कमजोर किस्म के व्यक्तिगत बंधनों की जांच करने की अनुमति देता है, लेकिन टिप वक्रता आमतौर पर इसे रोकती है। Eq2 का उपयोग करते हुए, वक्रता की त्रिज्या को अलग-अलग रैखिक क्षणों के तन्यता परीक्षण करने की आवश्यकता के रूप में निर्धारित किया गया है। उल्लेख करने के लिए एक त्वरित नोट यह है कि बल प्रोफ़ाइल (चित्र 2) में हिस्टैरिसीस के अनुरूप कार्य बंधन ऊर्जा से संबंधित नहीं है। नोक को वापस लेने में किया गया काम लगभग विरूपण के रैखिक व्यवहार के कारण बल होने और रिलीज से तुरंत पहले विस्थापन होने के कारण होता है। संपर्क में अनुमानित 50 कार्यात्मक समूहों के लिए सामान्यीकृत फ्रिस्बी एट अल के परिणामों का उपयोग करते हुए, कार्य मूल्यों का अनुमान क्रमशः 39 ई. वी., 0.25 ई. वी., और 4.3 ई. वी. के लिए, और अंतःक्रिया के रूप में लगाया जाता है। मोटे तौर पर, अंतर-आणविक बंधन ऊर्जाओं की गणना इस प्रकार की जा सकती हैः क्वथनांक होना। इसके अनुसार, फॉर्मिक एसिड के लिए, और मीथेन के लिए 9.73 एम. ई. वी., प्रत्येक मान प्रयोग से सुझाए गए परिमाण से लगभग 3 क्रम छोटा है। भले ही सतह के निष्क्रियता पर विचार किया गया हो (नीचे चर्चा की गई है), बड़ी त्रुटि अपरिवर्तनीय प्रतीत होती है। सबसे मजबूत हाइड्रोजन बंधन ऊर्जा में अधिकतम ~ 1 eV होते हैं। इसका दृढ़ता से तात्पर्य है कि कैंटिलीवर में बंधन अंतःक्रियाओं के लिए या उसके क्रम से छोटा बल स्थिरांक होता है और इसलिए, इसे पूरी तरह से कठोर नहीं माना जा सकता है। यह सी. एफ. एम. की उपयोगिता बढ़ाने के लिए एक रास्ता खोलता है यदि बल संकल्प बनाए रखते हुए भी कठोर कैंटिलीवर का उपयोग किया जा सकता है। घर्षण बल मानचित्रण रासायनिक अंतःक्रियाओं का उपयोग विभिन्न कार्यात्मकताओं के साथ पूर्व-प्रतिरूपित सब्सट्रेट को मानचित्रित करने के लिए भी किया जा सकता है (चित्र 3 देखें)। अलग-अलग हाइड्रोफोबिसिटी वाली सतह की स्कैनिंग जिसमें कोई कार्यात्मक समूह संलग्न नहीं है, बिना किसी विरोधाभास के एक छवि का उत्पादन करेगी क्योंकि सतह रूपात्मक रूप से लक्षणहीन (सरल ए. एफ. एम. संचालन) है। एक नोक को हाइड्रोफिलिक होने के लिए कार्यात्मक बनाने से कैंटिलीवर झुक जाएगा जब टिप मजबूत टिप-सब्सट्रेट इंटरैक्शन के कारण सब्सट्रेट के हाइड्रोफिलिक भागों में स्कैन करता है। यह एक स्थिति संवेदनशील डिटेक्टर में लेजर विक्षेपण द्वारा पता लगाया जाता है इसलिए सतह की एक रासायनिक प्रोफ़ाइल छवि का उत्पादन करता है। आम तौर पर, एक उज्ज्वल क्षेत्र विक्षेपण के अधिक आयाम के अनुरूप होता है इसलिए मजबूत बंधन सी. एफ. एम. छवि मानचित्र के हल्के क्षेत्रों के अनुरूप होता है। जब कैंटिलीवर कार्यात्मकता को इस तरह से बदला जाता है कि इसके बजाय सब्सट्रेट के हाइड्रोफोबिक क्षेत्रों का सामना करते समय टिप मुड़ा हुआ होता है, तो पूरक छवि देखी जाती है। सब्सट्रेट पर टिप द्वारा लागू लंबवत भार की मात्रा के लिए घर्षण बल प्रतिक्रिया चित्र 4 में दिखाई गई है। बढ़ती नोक-सब्सट्रेट अंतःक्रियाएँ एक खड़ी ढलान पैदा करती हैं, जैसा कि कोई उम्मीद कर सकता है। प्रायोगिक महत्व का तथ्य यह है कि सतह पर विभिन्न कार्यात्मकताओं के बीच अंतर को अधिक लंबवत बल के अनुप्रयोग के साथ बढ़ाया जा सकता है। बेशक, यह सब्सट्रेट को संभावित नुकसान की कीमत पर आता है। परिवेशः तरल केशिका बल में माप तन्यता बल माप में एक बड़ी समस्या है क्योंकि यह प्रभावी रूप से नोक-सतह की अंतःक्रिया को मजबूत करता है। यह आमतौर पर परिवेशीय वातावरण से सब्सट्रेट पर अधिशोषित नमी के कारण होता है। इस अतिरिक्त बल को समाप्त करने के लिए, तरल पदार्थों में माप किया जा सकता है। तरल एल में एक्स-टर्मिनेटेड टिप और सब्सट्रेट के साथ, फेड के जोड़ की गणना डब्ल्यूएक्सएलएक्स = 2जीएमएलएल के साथ ईक्यू 1 का उपयोग करके की जाती है; यानी, अतिरिक्त बल तरल अणुओं के एक दूसरे के प्रति आकर्षण से आता है। ई. टी. ओ. एच. के लिए यह ~ 10 पी. एन. है जो अभी भी सबसे कमजोर ध्रुवीय/गैर-ध्रुवीय अंतःक्रियाओं (~ 20 पी. एन.) के अवलोकन की अनुमति देता है। तरल का चुनाव इस बात पर निर्भर करता है कि किन अंतःक्रियाओं में रुचि है। जब विलायक कार्यात्मक समूहों के साथ अमिश्रणीय होता है, तो सामान्य टिप-सतह बंधन से बड़ा होता है। इसलिए, कार्बनिक सॉल्वैंट्स वैन डेर वाल्स और हाइड्रोजन बंधन के अध्ययन के लिए उपयुक्त हैं जबकि इलेक्ट्रोलाइट्स हाइड्रोफोबिक और इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों की जांच के लिए सबसे अच्छे हैं। नैनोसाइंस में अनुप्रयोग नैनोस्केल स्तर पर सी. एफ. एम. का जैविक कार्यान्वयन कार्यात्मक सिरे और सतह के साथ प्रोटीन का प्रकट होना है (चित्र 5 देखें)। संपर्क क्षेत्र में वृद्धि के कारण, नोक और सतह प्रोटीन बंडलों को पकड़ने वाले लंगर के रूप में कार्य करते हैं जब वे अलग होते हैं। जैसे-जैसे अनकॉइलिंग होती है, बल को अनकॉइलिंग के विभिन्न चरणों का संकेत देते हुए कूदने की आवश्यकता होती हैः (1) बंडलों में पृथक्करण, (2) वैन डेर वाल्स बलों द्वारा एक साथ रखे गए क्रिस्टलीय प्रोटीन के क्षेत्रों में बंडलों का पृथक्करण, और (3) द्वितीयक बंधन पर काबू पाने पर प्रोटीन का रैखिककरण। इन जटिल प्रोटीनों की आंतरिक संरचना के बारे में जानकारी के साथ-साथ घटक अंतःक्रियाओं की बेहतर समझ इस विधि के साथ प्रदान की जाती है। दूसरा विचार वह है जो अद्वितीय नैनोस्केल सामग्री गुणों का लाभ उठाता है। कार्बन नैनोट्यूब (आसानी से> 1000) के उच्च पहलू अनुपात का उपयोग गहरी विशेषताओं वाली छवि सतहों के लिए किया जाता है। कार्बन सामग्री का उपयोग कार्यात्मक रसायन विज्ञान को व्यापक बनाता है क्योंकि नैनोट्यूब साइडवॉल के रासायनिक संशोधन के लिए अनगिनत मार्ग हैं (जैसे। डायजोनियम, सरल अल्काइल, हाइड्रोजन, ओजोन/ऑक्सीजन और एमाइन के साथ)। मल्टीवॉल नैनोट्यूब का उपयोग आमतौर पर उनकी कठोरता के लिए किया जाता है। उनके लगभग समतल सिरों के कारण, कोई भी कार्यात्मक समूहों की संख्या का अनुमान लगा सकता है जो ट्यूब व्यास जानने वाले सब्सट्रेट के संपर्क में हैं और दीवारों की संख्या जो एकल भाग तन्यता गुणों को निर्धारित करने में मदद करती है। निश्चित रूप से, इस पद्धति का जनजातीय विज्ञान में भी स्पष्ट प्रभाव पड़ता है। संदर्भ सूक्ष्मदर्शी स्कैनिंग जांच सूक्ष्मदर्शी