Chemical force microscopy
مواد کی سائنس میں، کیمیائی قوت خوردبین (سی ایف ایم) جوہری قوت خوردبین (اے ایف ایم) کی ایک تغیر ہے جو مواد کی سطحوں کی خصوصیت کے لیے ایک ورسٹائل ٹول بن گیا ہے۔ اے ایف ایم کے ساتھ، ساختی مورفولوجی کی جانچ سادہ ٹیپنگ یا رابطہ طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے کی جاتی ہے جو ٹپ اور نمونے کے درمیان وین ڈیر وال کے تعاملات کو مستقل پروب انحراف طول و عرض (مستقل قوت موڈ) کو برقرار رکھنے یا ٹپ انحراف (مستقل اونچائی موڈ) کی پیمائش کرتے ہوئے اونچائی کو برقرار رکھنے کے لیے استعمال کرتے ہیں۔ دوسری طرف سی ایف ایم فعال تحقیقات ٹپ اور نمونے کے درمیان کیمیائی تعاملات کا استعمال کرتا ہے۔ چوائس کیمسٹری عام طور پر گولڈ لیپت ٹپ اور سطح ہوتی ہے جس میں تھائولز منسلک ہوتے ہیں، R دلچسپی کے فعال گروپ ہوتے ہیں۔ سی ایف ایم سطحوں کی کیمیائی نوعیت کا تعین کرنے کی صلاحیت کو ان کی مخصوص مورفولوجی سے قطع نظر قابل بناتا ہے، اور بنیادی کیمیائی بانڈنگ اینتھالپی اور سطح کی توانائی کے مطالعے کو آسان بناتا ہے۔ عام طور پر، سی ایف ایم تحقیقات کو پکڑنے والے کینٹلیور کے اندر تھرمل کمپن سے محدود ہوتا ہے۔ یہ قوت کی پیمائش کے حل کو ~ 1 پی این تک محدود کرتا ہے جو اب بھی بہت موزوں ہے کیونکہ کمزور تعاملات ~ 20 پی این فی جوڑی ہیں۔ سی ایف ایم کے اس پورے غور و فکر میں ہائیڈرو فوبیسیٹی کو بنیادی مثال کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، لیکن یقینی طور پر اس طریقہ سے کسی بھی قسم کے بندھن کی جانچ کی جا سکتی ہے۔ ابتدائی کام سی ایف ایم بنیادی طور پر چارلس لیبر نے 1994 میں ہارورڈ یونیورسٹی میں تیار کیا ہے۔ اس طریقہ کار کا مظاہرہ ہائیڈروفوبیسیٹی کا استعمال کرتے ہوئے کیا گیا جہاں قطبی مالیکیول (جیسے۔ COOH) ایک دوسرے کے ساتھ سب سے مضبوط پابند ہوتے ہیں، اس کے بعد غیر قطبی (جیسے۔ CH3-CH3) بانڈنگ، اور ایک مجموعہ سب سے کمزور ہے۔ پروب ٹپس کو فعال کیا جاتا ہے اور سبسٹریٹس کو ان مالیکیولز کے ساتھ نمونہ بنایا جاتا ہے۔ فنکشنلائزیشن کے تمام امتزاج کی جانچ ٹپ کانٹیکٹ اور ہٹانے کے ساتھ ساتھ دونوں موئٹیز کے ساتھ پیٹرن والے سبسٹریٹس کی مقامی نقشہ سازی اور امیج کے برعکس تکمیل کا مشاہدہ دونوں کے ذریعے کی گئی۔ ان دونوں طریقوں پر ذیل میں تبادلہ خیال کیا گیا ہے۔ استعمال شدہ اے ایف ایم آلہ شکل 1 سے ملتا جلتا ہے۔ چپکنے کی قوت (تناؤ کی جانچ) یہ سی ایف ایم آپریشن کا آسان طریقہ ہے جہاں ایک فعال ٹپ کو سطح کے ساتھ رابطے میں لایا جاتا ہے اور اس قوت کا مشاہدہ کرنے کے لیے کھینچا جاتا ہے جس پر علیحدگی ہوتی ہے، (شکل 2 دیکھیں)۔ جانسن-کینڈل-رابرٹس (جے کے آر) کا چپکنے والی میکانکس کا نظریہ اس قدر کی پیش گوئی کرتا ہے (1) جہاں نوک کا رداس ہوتا ہے، اور نوک، نمونے، اور میڈیم کے درمیان مختلف سطح کی توانائیاں ہوتی ہیں (ذیل میں زیر بحث مائع)۔ یہ عام طور پر SEM سے اور دی گئی موئٹیز کے ساتھ سبسٹریٹس پر رابطے کے زاویے کی پیمائش سے حاصل کیا جاتا ہے۔ جب ایک ہی فنکشنل گروپس استعمال کیے جاتے ہیں، اور جس کے نتیجے میں یہ دو بار دو مختلف طریقوں سے کیا جاتا ہے (مثال کے طور پر۔ اور) اور کی اقدار دیتا ہے، جن دونوں کا تعین کرنے کے لیے ایک ہی تجربے میں ایک ساتھ استعمال کیا جا سکتا ہے۔ لہذا، سی ایف ایم طے شدہ اقدار کے مقابلے کے لیے فنکشنلٹیز کے کسی بھی امتزاج کے لیے حساب لگایا جا سکتا ہے۔ اسی طرح فعال ٹپ اور سطح کے لیے، ٹپ ڈیٹیچمنٹ پر جے کے آر تھیوری بھی (2) کے رابطے کے رداس کی پیش گوئی کرتی ہے جس میں اصل قیمت اور پوسن تناسب سے حاصل کردہ ٹپ کے "موثر" ینگ ماڈیولس ہوتے ہیں۔ اگر کوئی کسی واحد فعال گروپ کے مؤثر علاقے کو جانتا ہے، (مثال کے طور پر۔ کوانٹم کیمسٹری کے تخروپن سے)، تناؤ میں حصہ لینے والے لگینڈوں کی کل تعداد کا تخمینہ لگایا جا سکتا ہے جیسا کہ پہلے بتایا گیا ہے، سی ایف ایم کا قوت ریزولوشن کسی کو کمزور ترین قسم کے انفرادی بندھنوں کی تحقیقات کرنے کی اجازت دیتا ہے، لیکن ٹپ وکر عام طور پر اسے روکتا ہے۔ Eq2 کا استعمال کرتے ہوئے، انفرادی لکیری موئٹیز کی تناؤ کی جانچ کرنے کی ضرورت کے طور پر منحنی خطوط کے رداس کا تعین کیا گیا ہے۔ ذکر کرنے کے لیے ایک فوری نوٹ یہ ہے کہ فورس پروفائل (شکل 2) میں ہسٹیریسیس سے متعلق کام بانڈ انرجی سے متعلق نہیں ہے۔ نوک کو پیچھے ہٹانے میں کیے گئے کام کا تخمینہ قوت ہونے اور رہائی سے فورا پہلے نقل مکانی ہونے کے ساتھ اخترتی کے لکیری رویے کی وجہ سے لگایا جاتا ہے۔ Frisbie et al. کے نتائج کا استعمال کرتے ہوئے، جو کہ رابطے میں موجود اندازے کے مطابق 50 فعال گروپوں کے لیے عام کیا گیا ہے، کام کی اقدار کا تخمینہ بالترتیب 39 eV، 0.25 eV، اور 4.4 eV کے لیے، اور تعاملات کے طور پر لگایا گیا ہے۔ موٹے طور پر، بین سالماتی بانڈ توانائیوں کا حساب اس طرح لگایا جا سکتا ہے: ابالنے کا نقطہ ہونا۔ اس کے مطابق، فارمک ایسڈ کے لیے، اور میتھین کے لیے 9.73 ایم ای وی، ہر قدر تجربے سے تجویز کردہ شدت کے تقریبا 3 آرڈرز چھوٹے ہونے کی وجہ سے۔ یہاں تک کہ اگر سطح کی غیر فعالیت پر غور کیا گیا (ذیل میں بحث کی گئی ہے)، تو بڑی غلطی ناقابل تلافی معلوم ہوتی ہے۔ سب سے مضبوط ہائیڈروجن بانڈ توانائی میں زیادہ سے زیادہ ~ 1 eV ہوتے ہیں۔ اس کا پختہ مطلب یہ ہے کہ کینٹیلیور میں بانڈ کے تعاملات کے لیے اس سے کم یا اس کی ترتیب پر ایک قوت مستقل ہوتی ہے اور اس لیے اسے مکمل طور پر سخت نہیں سمجھا جا سکتا۔ یہ سی ایف ایم کی افادیت کو بڑھانے کے لیے ایک راستہ کھولتا ہے اگر قوت کے حل کو برقرار رکھتے ہوئے سخت کینٹیلیور استعمال کیے جا سکتے ہیں۔ رگڑ قوت کی نقشہ سازی کیمیائی تعاملات کو مختلف فعالیتوں کے ساتھ پہلے سے تیار کردہ سبسٹریٹس کا نقشہ بنانے کے لیے بھی استعمال کیا جا سکتا ہے (شکل 3 دیکھیں)۔ مختلف ہائڈروفوبیسیٹی والی سطح کی اسکیننگ جس کی نوک کے ساتھ کوئی فعال گروپ منسلک نہیں ہے اس سے کوئی تضاد نہیں ہوگا کیونکہ سطح مورفولوجیکل طور پر بے خصوصیت ہے (سادہ اے ایف ایم آپریشن)۔ ٹپ کو ہائڈروفیلک بنانے سے کینٹیلیور موڑنے کا سبب بنتا ہے جب ٹپ مضبوط ٹپ-سبسٹریٹ تعاملات کی وجہ سے سبسٹریٹ کے ہائیڈروفیلک حصوں میں اسکین کرتا ہے۔ اس کا پتہ ایک پوزیشن حساس ڈٹیکٹر میں لیزر کے انحراف سے لگایا جاتا ہے اس لیے سطح کی کیمیائی پروفائل امیج تیار ہوتی ہے۔ عام طور پر، ایک روشن علاقہ انحراف کے زیادہ طول و عرض سے مطابقت رکھتا ہے لہذا مضبوط بندھن سی ایف ایم تصویری نقشے کے ہلکے علاقوں سے مطابقت رکھتا ہے۔ جب کینٹیلیور فنکشنلائزیشن کو اس طرح تبدیل کیا جاتا ہے کہ اس کے بجائے سبسٹریٹ کے ہائیڈروفوبک علاقوں کا سامنا کرتے وقت ٹپ جھکی ہوئی ہوتی ہے، تو تکمیلی تصویر کا مشاہدہ کیا جاتا ہے۔ سبسٹریٹ پر ٹپ کے ذریعہ لاگو ہونے والے عمودی بوجھ کی مقدار پر رگڑ قوت کا ردعمل شکل 4 میں دکھایا گیا ہے۔ ٹپ-سبسٹریٹ کے تعاملات میں اضافہ ایک تیز ڈھلوان پیدا کرتا ہے، جیسا کہ کوئی توقع کرے گا۔ تجرباتی اہمیت کی حقیقت یہ ہے کہ سطح پر مختلف افعال کے درمیان تضاد کو زیادہ عمودی قوت کے استعمال سے بڑھایا جا سکتا ہے۔ یقینا، یہ سبسٹریٹ کو ممکنہ نقصان کی قیمت پر آتا ہے۔ ماحول: مائع کیپلری فورس میں پیمائش تناؤ کی قوت کی پیمائش میں ایک بڑا مسئلہ ہے کیونکہ یہ مؤثر طریقے سے ٹپ سطح کے تعامل کو مضبوط کرتا ہے۔ یہ عام طور پر ارد گرد کے ماحول سے سبسٹریٹس پر جذب شدہ نمی کی وجہ سے ہوتا ہے۔ اس اضافی قوت کو ختم کرنے کے لیے، مائع میں پیمائش کی جا سکتی ہے۔ مائع ایل میں ایکس-ٹرمینیٹڈ ٹپ اور سبسٹریٹ کے ساتھ، فڈ کے اضافے کا حساب ڈبلیو ایکس ایل ایکس = 2 جی ایل ایل کے ساتھ ای کیو 1 کا استعمال کرتے ہوئے کیا جاتا ہے ؛ یعنی، اضافی قوت مائع مالیکیولز کی ایک دوسرے کی طرف کشش سے آتی ہے۔ یہ ETOH کے لیے ~ 10 pN ہے جو اب بھی کمزور ترین قطبی/غیر قطبی تعاملات (~ 20 pN) کے مشاہدے کی اجازت دیتا ہے۔ مائع کا انتخاب اس بات پر منحصر ہے کہ کون سے تعاملات دلچسپی کے حامل ہیں۔ جب سالوینٹ فعال گروپوں کے ساتھ غیر متزلزل ہوتا ہے، تو معمول سے بڑا ٹپ-سرفیس بانڈنگ موجود ہوتا ہے۔ لہذا، نامیاتی سالوینٹس وین ڈیر والز اور ہائیڈروجن بانڈنگ کا مطالعہ کرنے کے لیے موزوں ہیں جبکہ الیکٹرولائٹس ہائیڈروفوبک اور الیکٹروسٹیٹک قوتوں کی جانچ کے لیے بہترین ہیں۔ نینو سائنس میں استعمال نینو اسکیل کی سطح پر سی ایف ایم کا حیاتیاتی نفاذ فعال ٹپ اور سطح کے ساتھ پروٹین کا کھلنا ہے (شکل 5 دیکھیں)۔ رابطے کے رقبے میں اضافے کی وجہ سے، نوک اور سطح پروٹین کے بنڈلوں کو پکڑنے والے لنگر کے طور پر کام کرتے ہیں جب کہ وہ الگ ہوتے ہیں۔ جیسے جیسے ان کوائلنگ شروع ہوتی ہے، قوت کو چھلانگ لگانے کی ضرورت ہوتی ہے جو ان کوائلنگ کے مختلف مراحل کی نشاندہی کرتی ہے: (1) بنڈلوں میں علیحدگی، (2) وین ڈیر والز قوتوں کے ذریعہ ایک ساتھ رکھے ہوئے کرسٹلائن پروٹین کے ڈومینز میں بنڈل علیحدگی، اور (3) ثانوی بندھن پر قابو پانے پر پروٹین کی لکیریائزیشن۔ ان پیچیدہ پروٹینوں کی اندرونی ساخت کے بارے میں معلومات کے ساتھ ساتھ اجزاء کے تعاملات کی بہتر تفہیم اس طریقہ کار کے ساتھ فراہم کی جاتی ہے۔ دوسرا غور وہ ہے جو منفرد نینو اسکیل مواد کی خصوصیات سے فائدہ اٹھاتا ہے۔ کاربن نینو ٹیوبز (آسانی سے> 1000) کے اعلی پہلو تناسب کو گہری خصوصیات والی سطحوں کی تصویر کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ کاربن مواد کا استعمال فنکشنلائزیشن کیمسٹری کو وسیع کرتا ہے کیونکہ نینو ٹیوب سائیڈ والز کی کیمیائی ترمیم کے بے شمار راستے ہیں (مثال کے طور پر۔ ڈیازونیم، سادہ الکائل، ہائیڈروجن، اوزون/آکسیجن، اور امینوں کے ساتھ)۔ ملٹی وال نینو ٹیوبز عام طور پر ان کی سختی کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ ان کے تقریبا پلینر سروں کی وجہ سے، کوئی بھی ان فعال گروپوں کی تعداد کا اندازہ لگا سکتا ہے جو سبسٹریٹ کے ساتھ رابطے میں ہیں جو ٹیوب کے قطر کو جانتے ہیں اور دیواروں کی تعداد جو سنگل موئٹی تناؤ کی خصوصیات کا تعین کرنے میں مدد کرتی ہے۔ یقینی طور پر، اس طریقہ کار کے ٹرائبولوجی میں بھی واضح مضمرات ہیں۔ حوالہ جات مائکروسکوپی اسکیننگ پروب مائکروسکوپی