Chemical force microscopy
பொருள் அறிவியலில், வேதியியல் விசை நுண்ணோக்கி (சி. எஃப். எம்) என்பது அணு விசை நுண்ணோக்கியின் (ஏ. எஃப். எம்) மாறுபாடு ஆகும், இது பொருட்களின் மேற்பரப்புகளை வகைப்படுத்துவதற்கான பல்துறை கருவியாக மாறியுள்ளது. ஏ. எஃப். எம் மூலம், கட்டமைப்பு உருவவியல் எளிய தட்டுதல் அல்லது தொடர்பு முறைகளைப் பயன்படுத்தி ஆராயப்படுகிறது, இது முனை மற்றும் மாதிரிக்கு இடையில் வான் டெர் வால்ஸ் தொடர்புகளைப் பயன்படுத்தி ஒரு நிலையான ஆய்வு விலகல் வீச்சு (நிலையான விசை முறை) பராமரிக்க அல்லது முனை விலகல் (நிலையான உயர முறை) அளவிடும்போது உயரத்தை பராமரிக்கிறது. மறுபுறம், சி. எஃப். எம், செயல்பாட்டு ஆய்வு முனை மற்றும் மாதிரி இடையே இரசாயன தொடர்புகளைப் பயன்படுத்துகிறது. தேர்வு வேதியியல் பொதுவாக தங்கம் பூசப்பட்ட முனை மற்றும் மேற்பரப்பு இணைக்கப்பட்டிருக்கும், R என்பது ஆர்வத்தின் செயல்பாட்டுக் குழுக்களாகும். சி. எஃப். எம் மேற்பரப்புகளின் வேதியியல் தன்மையை தீர்மானிக்கும் திறனை செயல்படுத்துகிறது, அவற்றின் குறிப்பிட்ட உருவவியல் பொருட்படுத்தாமல், அடிப்படை வேதியியல் பிணைப்பு என்தால்பி மற்றும் மேற்பரப்பு ஆற்றல் பற்றிய ஆய்வுகளை எளிதாக்குகிறது. பொதுவாக, சி. எஃப். எம் புரோப்பை வைத்திருக்கும் கான்டிலீவருக்குள் வெப்ப அதிர்வுகளால் கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது. இது விசை அளவீட்டு தெளிவுத்திறனை ~ 1 pN ஆகக் கட்டுப்படுத்துகிறது, இது ஒரு ஜோடிக்கு ~ 20 pN என்ற பலவீனமான தொடர்புகளைக் கருத்தில் கொண்டு இன்னும் மிகவும் பொருத்தமானது. CFM இன் இந்த பரிசீலனை முழுவதும் ஹைட்ரோஃபோபிசிட்டி முதன்மை எடுத்துக்காட்டாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது, ஆனால் நிச்சயமாக எந்த வகையான பிணைப்பையும் இந்த முறையின் மூலம் ஆராய முடியும். முன்னோடி வேலை சி. எஃப். எம் முதன்மையாக 1994 இல் ஹார்வர்ட் பல்கலைக்கழகத்தில் சார்லஸ் லீபரால் உருவாக்கப்பட்டது. இந்த முறை ஹைட்ரோபோபிசிட்டியைப் பயன்படுத்தி நிரூபிக்கப்பட்டது, அங்கு துருவ மூலக்கூறுகள் (எ. கா. COOH) ஒருவருக்கொருவர் வலுவான பிணைப்பைக் கொண்டுள்ளன, அதைத் தொடர்ந்து துருவமற்றவை (எ. கா. CH3-CH3) பிணைப்பு, மற்றும் ஒரு கலவை மிகவும் பலவீனமாக உள்ளது. ஆய்வு உதவிக்குறிப்புகள் செயல்படுகின்றன மற்றும் இந்த மூலக்கூறுகளுடன் அடி மூலக்கூறுகள் வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளன. முனை தொடர்பு மற்றும் அகற்றுதல் ஆகிய இரண்டின் மூலமும் செயல்பாட்டின் அனைத்து சேர்க்கைகளும் சோதிக்கப்பட்டன, அதே போல் இரண்டு மோயிட்டிகளுடன் வடிவமைக்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறுகளின் இடஞ்சார்ந்த வரைபடம் மற்றும் பட மாறுபாட்டில் நிரப்புணர்வைக் கவனித்தல். இந்த இரண்டு முறைகளும் கீழே விவரிக்கப்பட்டுள்ளன. பயன்படுத்தப்படும் ஏ. எஃப். எம் கருவி படம் 1 இல் உள்ளதைப் போன்றது. ஒட்டுதல் விசை (இழுவிசை சோதனை) இது சி. எஃப். எம் செயல்பாட்டின் எளிமையான முறையாகும், அங்கு ஒரு செயல்பாட்டு முனை மேற்பரப்புடன் தொடர்பு கொண்டு வரப்பட்டு, பிரிப்பு ஏற்படும் விசையைக் கவனிக்க இழுக்கப்படுகிறது, (படம் 2 ஐப் பார்க்கவும்). ஒட்டுதல் இயக்கவியலின் ஜான்சன்-கெண்டல்-ராபர்ட்ஸ் (ஜே. கே. ஆர்) கோட்பாடு இந்த மதிப்பை (1) முனையின் ஆரம் மற்றும் முனை, மாதிரி மற்றும் நடுத்தரத்திற்கு இடையில் உள்ள பல்வேறு மேற்பரப்பு ஆற்றல்கள் (கீழே விவாதிக்கப்பட்ட திரவங்கள்) என கணித்துள்ளது. இது பொதுவாக SEM மற்றும் கொடுக்கப்பட்ட மோயிட்டிகளுடன் அடி மூலக்கூறுகள் மீதான தொடர்பு கோண அளவீடுகளிலிருந்து பெறப்படுகிறது. ஒரே செயல்பாட்டுக் குழுக்கள் பயன்படுத்தப்படும்போது, இதன் விளைவாக இரண்டு வெவ்வேறு மோய்டிகளுடன் இரண்டு முறை (எ. கா. மற்றும்) மற்றும் இன் மதிப்புகளை வழங்குகிறது, இவை இரண்டும் ஒரே பரிசோதனையில் ஒன்றாக பயன்படுத்தப்படலாம். எனவே, CFM தீர்மானிக்கப்பட்ட மதிப்புகளுடன் ஒப்பிடுவதற்கு செயல்பாடுகளின் எந்தவொரு கலவையையும் கணக்கிடலாம். இதேபோல் செயல்பாட்டு முனை மற்றும் மேற்பரப்புக்கு, முனை பிரிப்பு ஜே. கே. ஆர் கோட்பாடு உண்மையான மதிப்பு மற்றும் பாய்சான் விகிதத்திலிருந்து பெறப்பட்ட முனையின் "பயனுள்ள" யங் மாடுலஸுடன் (2) தொடர்பு ஆரத்தை கணித்துள்ளது. ஒரு செயல்பாட்டுக் குழுவின் பயனுள்ள பகுதியை ஒருவர் அறிந்திருந்தால், (எ. கா. குவாண்டம் வேதியியல் உருவகப்படுத்துதல்களிலிருந்து), பதற்றத்தில் பங்கேற்கும் ஈந்தணைவிகளின் மொத்த எண்ணிக்கையை மதிப்பிடலாம் முன்பு கூறியது போல், சி. எஃப். எம் இன் விசை தீர்மானம் பலவீனமான வகையின் தனிப்பட்ட பிணைப்புகளை கூட ஆராய அனுமதிக்கிறது, ஆனால் முனை வளைவு பொதுவாக இதைத் தடுக்கிறது. Eq2 ஐப் பயன்படுத்தி, வளைவின் ஆரம் தனிப்பட்ட நேரியல் மோயிட்டிகளின் இழுவிசை சோதனையை நடத்துவதற்கான தேவையாக தீர்மானிக்கப்பட்டுள்ளது. குறிப்பிட வேண்டிய ஒரு விரைவான குறிப்பு என்னவென்றால், விசை சுயவிவரத்தில் உள்ள ஹிஸ்டெரெசிஸுடன் தொடர்புடைய வேலை (படம் 2) பிணைப்பு ஆற்றலுடன் தொடர்புபடுத்தப்படவில்லை. முனையை பின்வாங்குவதில் செய்யப்படும் வேலை தோராயமாக சிதைவின் நேரியல் நடத்தை காரணமாக சக்தியாக இருப்பது மற்றும் வெளியீட்டிற்கு முன்பு உடனடியாக இடப்பெயர்ச்சி காரணமாக உள்ளது. தொடர்பு கொண்ட 50 செயல்பாட்டுக் குழுக்களுக்கு இயல்பாக்கப்பட்ட ஃப்ரிஸ்பி மற்றும் பிறரின் முடிவுகளைப் பயன்படுத்தி, வேலை மதிப்புகள் முறையே 39 eV, 0.25 eV, மற்றும் 4.3 eV என மதிப்பிடப்பட்டுள்ளன. தோராயமாக, மூலக்கூறுகளுக்கிடையேயான பிணைப்பு ஆற்றல்களை பின்வருமாறு கணக்கிடலாம்ஃ கொதிநிலை. இதன் படி, ஃபார்மிக் அமிலத்திற்கு, மற்றும் மீத்தேனுக்கு 9.73 எம். வி., ஒவ்வொரு மதிப்பும் சோதனை பரிந்துரைப்பதை விட சுமார் 3 வரிசை அளவு சிறியதாக இருக்கும். மேற்பரப்பு செயலற்ற தன்மை பரிசீலிக்கப்பட்டாலும் (கீழே விவாதிக்கப்பட்டது), பெரிய பிழை மீட்க முடியாததாகத் தெரிகிறது. வலுவான ஹைட்ரஜன் பிணைப்புகள் அதிகபட்சமாக ~ 1 eV ஆற்றலாகும். கான்டிலீவர் பிணைப்பு தொடர்புகளுக்கு அதை விட சிறிய அல்லது அதன் வரிசையில் ஒரு விசை மாறிலியைக் கொண்டுள்ளது என்பதை இது வலுவாகக் குறிக்கிறது, எனவே, அதை முற்றிலும் கடினமானதாக கருத முடியாது. விசை தெளிவுத்திறனை பராமரிக்கும் போது கடினமான கான்டிலீவர்களைப் பயன்படுத்த முடிந்தால் இது சி. எஃப். எம் இன் பயனை அதிகரிப்பதற்கான ஒரு வழியைத் திறக்கிறது. உராய்வு விசை வரைபடம் வேதியியல் தொடர்புகள் மாறுபட்ட செயல்பாடுகளுடன் முன்மாதிரியான அடி மூலக்கூறுகளை வரைபடமாக்க பயன்படுத்தப்படலாம் (படம் 3 ஐப் பார்க்கவும்). எந்தவொரு செயல்பாட்டுக் குழுக்களும் இணைக்கப்படாத ஒரு முனையுடன் மாறுபட்ட ஹைட்ரோபோபிசிட்டி கொண்ட ஒரு மேற்பரப்பை ஸ்கேன் செய்வது எந்த மாறுபாடும் இல்லாமல் ஒரு படத்தை உருவாக்கும், ஏனெனில் மேற்பரப்பு உருவவியல் ரீதியாக அம்சமற்றது (எளிய ஏ. எஃப். எம் செயல்பாடு). ஒரு முனையை ஹைட்ரோஃபிலிக் என்று செயல்படுத்தினால், வலுவான முனை-அடி மூலக்கூறு தொடர்புகள் காரணமாக அடி மூலக்கூறின் ஹைட்ரோஃபிலிக் பகுதிகளில் முனை ஸ்கேன் செய்யும் போது கான்டிலீவர் வளைந்து விடும். இது ஒரு நிலை உணர்திறன் கண்டறிதலில் லேசர் விலகல் மூலம் கண்டறியப்படுகிறது, எனவே மேற்பரப்பின் வேதியியல் சுயவிவரப் படத்தை உருவாக்குகிறது. பொதுவாக, ஒரு பிரகாசமான பகுதி விலகல் அதிக வீச்சுடன் ஒத்திருக்கும், எனவே வலுவான பிணைப்பு ஒரு சி. எஃப். எம் பட வரைபடத்தின் இலகுவான பகுதிகளுடன் ஒத்திருக்கிறது. அதற்கு பதிலாக அடி மூலக்கூறின் ஹைட்ரோபோபிக் பகுதிகளை எதிர்கொள்ளும்போது முனை வளைந்திருக்கும் வகையில் கான்டிலீவர் செயல்பாட்டை மாற்றும்போது, நிரப்பு படம் கவனிக்கப்படுகிறது. அடி மூலக்கூறுக்கு முனை மூலம் பயன்படுத்தப்படும் செங்குத்தான சுமையின் அளவிற்கு உராய்வு விசை பதில் படம் 4 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. ஒருவர் எதிர்பார்ப்பது போல், முனை-அடி மூலக்கூறு இடைவினைகள் அதிகரிப்பது ஒரு செங்குத்தான சாய்வை உருவாக்குகிறது. மேற்பரப்பில் உள்ள வெவ்வேறு செயல்பாடுகளுக்கு இடையிலான வேறுபாட்டை அதிக செங்குத்தான விசையைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம் மேம்படுத்தலாம் என்பது சோதனை முக்கியத்துவம் வாய்ந்தது. நிச்சயமாக, இது அடி மூலக்கூறுக்கு ஏற்படக்கூடிய சேதத்தின் செலவில் வருகிறது. சுற்றுப்புறம்ஃ இழுவிசை விசை அளவீடுகளில் திரவ கேபில்லரி விசையின் அளவீடுகள் ஒரு பெரிய சிக்கலாகும், ஏனெனில் இது முனை-மேற்பரப்பு தொடர்புகளை திறம்பட வலுப்படுத்துகிறது. இது பொதுவாக சுற்றுப்புற சூழலில் இருந்து அடி மூலக்கூறுகளில் உறிஞ்சப்பட்ட ஈரப்பதத்தால் ஏற்படுகிறது. இந்த கூடுதல் விசையை அகற்ற, திரவங்களில் அளவீடுகள் நடத்தப்படலாம். எக்ஸ்-முற்று முனை மற்றும் திரவ எல் இல் அடி மூலக்கூறுடன், ஃபாட் கூட்டல் WXLX = 2γLL உடன் Eq 1 ஐப் பயன்படுத்தி கணக்கிடப்படுகிறது; அதாவது, திரவ மூலக்கூறுகள் ஒருவருக்கொருவர் ஈர்ப்பதில் இருந்து கூடுதல் விசை வருகிறது. இது ETOH க்கு ~ 10 pN ஆகும், இது பலவீனமான துருவ/துருவமற்ற தொடர்புகளை (~ 20 pN) கூட அவதானிக்க அனுமதிக்கிறது. திரவத்தின் தேர்வு எந்த இடைவினைகள் ஆர்வமாக உள்ளன என்பதைப் பொறுத்தது. கரைப்பான் செயல்பாட்டுக் குழுக்களுடன் கலக்க முடியாதபோது, வழக்கமான முனை-மேற்பரப்பு பிணைப்பை விட பெரியது. எனவே, கரிம கரைப்பான்கள் வான் டெர் வால்ஸ் மற்றும் ஹைட்ரஜன் பிணைப்பைப் படிக்க பொருத்தமானவை, அதே நேரத்தில் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் ஹைட்ரோபோபிக் மற்றும் நிலைமின்னியல் சக்திகளை ஆராய சிறந்தவை. நானோ அறிவியலில் பயன்பாடுகள் நானோ அளவிலான மட்டத்தில் சி. எஃப். எம் இன் உயிரியல் செயல்படுத்தல் என்பது செயல்பாட்டு முனை மற்றும் மேற்பரப்புடன் புரதங்களை வெளிப்படுத்துவதாகும் (படம் 5 ஐப் பார்க்கவும்). அதிகரித்த தொடர்பு பகுதி காரணமாக, முனையும் மேற்பரப்பும் பிரியும் போது புரதக் கட்டிகளை வைத்திருக்கும் நங்கூரங்களாக செயல்படுகின்றன. அவிழ்ப்பது தொடங்கும் போது, அவிழ்ப்பதின் பல்வேறு நிலைகளைக் குறிக்கும் விசைக்குத் தாவல்கள் தேவைப்படுகின்றனஃ (1) தொகுப்புகளாகப் பிரிப்பது, (2) வான் டெர் வால்ஸ் சக்திகளால் ஒன்றாகப் பிடிக்கப்பட்ட படிக புரதத்தின் களங்களாகப் பிரிப்பது, மற்றும் (3) இரண்டாம் நிலை பிணைப்பைக் கடக்கும் போது புரதத்தின் நேரியல்மயமாக்கல். இந்த சிக்கலான புரதங்களின் உள் அமைப்பு பற்றிய தகவல்களும், உறுப்பு தொடர்புகளைப் பற்றிய சிறந்த புரிதலும் இந்த முறையுடன் வழங்கப்படுகின்றன. இரண்டாவது பரிசீலனை தனித்துவமான நானோ அளவிலான பொருட்களின் பண்புகளைப் பயன்படுத்திக் கொள்கிறது. கார்பன் நானோகுழாய்களின் உயர் தோற்ற விகிதம் (எளிதில்> 1000) ஆழமான அம்சங்களைக் கொண்ட பட மேற்பரப்புகளுக்கு பயன்படுத்தப்படுகிறது. நானோகுழாய் பக்கவாட்டு சுவர்களில் வேதியியல் மாற்றத்திற்கு எண்ணற்ற வழிகள் இருப்பதால் கார்பன் பொருளின் பயன்பாடு செயல்பாட்டு வேதியியலை விரிவுபடுத்துகிறது (எ. கா. டயாசோனியம், எளிய அல்கைல்கள், ஹைட்ரஜன், ஓசோன்/ஆக்ஸிஜன் மற்றும் அமீன்கள்). பல்வால் நானோகுழாய்கள் பொதுவாக அவற்றின் விறைப்புத்தன்மைக்கு பயன்படுத்தப்படுகின்றன. அவற்றின் தோராயமான சமதள முனைகள் காரணமாக, குழாய் விட்டம் தெரிந்த அடி மூலக்கூறுடன் தொடர்பு கொள்ளும் செயல்பாட்டுக் குழுக்களின் எண்ணிக்கையையும், ஒற்றை பகுதி இழுவிசை பண்புகளை தீர்மானிக்க உதவும் சுவர்களின் எண்ணிக்கையையும் ஒருவர் மதிப்பிடலாம். நிச்சயமாக, இந்த முறை பழங்குடியினத்திலும் வெளிப்படையான தாக்கங்களைக் கொண்டுள்ளது. குறிப்புகள் நுண்ணோக்கி ஸ்கேனிங் ஆய்வு நுண்ணோக்கி