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软物质在双模态力显微术作用下的纳米力学成像
Ricardo Garciaa, Roger Prokschb
a.马德里材料科学学院,28049 马德里,西班牙
b.美国加州圣巴巴拉，牛津仪器公司，CA 93117，美国
摘要：
双模态力显微术是一种以动态的力为基础的方法，可同时对软物质表面及界面的形貌和纳米力学性质进行成像。其工作原理涉及到对悬臂梁两个本征模态的激励和检测。这种方法可以同时测量材料几种属性。双模态力显微术的一个显著特点是能够通过最少数据点获得定量化信息。此外，在某些情况下该方法可以将探针相应所包含的形貌和电磁相互作用相分离。这里我们提供简要介绍了该方法的原理和在空气和液体中对聚合物和生物分子纳米尺度力学性能进行成像的一些应用。
关键词，力显微术，纳米力学，双模态AFM，软物质
目录
摘要.........................................................1
1.介绍...............................................................3
2.双模态AFM.........................................................4
2.1.操作原则.......................................................4
2.2.双模态AFM配置................................................4
2.3.双模态原子力显微镜的物理特征.................................5
3.软物质的纳米力学成像..............................................7
4.蛋白质柔韧性的亚2 nm分辨率定位.............................10
5.横向分辨率为5 nm的超顺磁性铁蛋白成像.......................12
6.蛋白质-液体界面的三维图像....................................14
7.总结与展望...................................................16
1.介绍
由不同机械、化学、电的纳米结构所组成的混合器件和材料的出现。这需要发展无创、高分辨率和快速表征方法。其包含高空间分辨率与材料成分比较。理想情况下，这些材料应该在他们的本土环境和状态使用。原子力显微镜(AFM)对我们目前对软物质的复杂界面的理解作出了很大的贡献。原子力显微镜(AFM)是为了提供一种复杂界面的完整表征而发明的。相位成像等动态AFM方法可以提供高空间分辨率（5nm范围以内）的非均匀表面图像和组分对比。这种方法能够识别和确定纳米尺度的能量耗散过程。一般情况下，将这些图像转化为关于其他纳米力学性质的定量信息并不简单，尽管存在一些明显的例外。
力显微术已经提供了一种在高分辨率成像下纳米、分子或原子经历多重转换的几乎连续的过程，这导致了各种各样的基于动态力方法的发展。这些方法的共同点是力的检测和采用微探针作为力的传感器。
双模态力显微术是一种使用多个本征模频率来激励和检测的AFM的方法。它不同的响应起到信号通道的作用，用来允许访问和分隔材料属性，如形貌、耗散、杨氏模量、粘度以及短期和长期的相互作用。
为了便于理解双模态原子力显微镜，它可以方便的区分由微探针、本征模和谐波组成的一些主要频率分量。悬臂-尖端系统，简称悬臂或探针，是一种机械装置。它有许多离散的振动omega;j，j=1，2，它由边界条件确定。这些振荡被不同地称为“本征模态”，“非正常模态”或“共振”。当正态振型包含在与悬臂主平面正交的平面中，它们被称为弯曲模态。另一方面，更高的谐波是振动的一个组成部分。它的振动频率等于激励频率的一个整数倍（omega;n=nomega;）。总体而言，高次谐波和共振频率不重合。谐波是指频率为激励频率的子倍数的分量。由于作用力的非线性，在探针运动引入次谐波。为了更完整的描述原子力显微镜中的本征模和谐波可以另见。图1A显示了一端固定，另一端自由振荡的两种弯曲振动模态形状。
2.双模态AFM
2.1.操作原则
该方法利用两种驱动力激发悬臂梁的振动。调整驱动力的激励频率去匹配两个本征模态，通常是悬臂梁的第一和第二弯曲模态。
Fexc=F1cosomega;1t F2cosomega;2t (1)
然后悬臂梁的反应可以表达
Z=Z0 A1cos(omega;1-oslash;1） A2cos( omega;2t-oslash;2) xi; (2)
其中Fi，omega;i=2pi;fi，Oslash;i，Ai分别是本征模态的激励力、角频率、相移和振幅。最后一个术语xi;表示的振动激励频率不同的偏转分量，其通常被忽略。
图1b和1c展现了前两种模态的添加方案和结果的激励信号。在最常见的实验设置，第一模态(振幅或频移)输出信号是用于成像表面的形貌，而第二模态输出信号(振幅、频移相移) 用于测量不同机械表面磁性或电气特性的变化。此方法兼容动态AFM模式、振幅(AM)和调频(FM) 模式。它可以空气中、液体或超高真空运行。
2.2.双模态AFM配置
各种可观测到的记录针尖表面力值和操作反馈产生了几个双模态AFM配置模式。这使得双模态AFM非常灵活，同时，不同配结构的微妙之处可能很难理解。计算机模拟为双模态AFM的实验实现奠定了基础。第一个双模态AFM有着当第二个共振参数自由的改变 (开环)时第一共振的大量反馈控制。这种结构称为幅度调制(AM)。通过第一模态在频移中操作反馈, 而不是振幅在频移中操作反馈，使一个新的双模态构型就位，这种双模态AFM配置被称为(FM)。第一共振的振幅和第二共振频移的反馈的组合称被为AM-FM的结构。表1显示了一些目前双模态AFM配置的分类。
Kawai 和同事们提出了一种双模态AFM操作方案，其涉及到弯曲模态和扭转模态的激励。Solares和Chawla证明了针尖激励/检测方案可以扩展到三个固有频率。他们称这种方法为三模态AFM。
2.3.双模态原子力显微镜的物理特征
对双模态AFM对比度的理解仍未实现发展。这在一定程度上是由于该方法的特殊性。双模态原子力显微镜的内在灵活性选择和可观察到的材料对比，使其包含所有双模态原子力显微镜连贯的框架发展复杂化。尽管如此，仍有一些既定的原则，说明双模态AFM在力的敏感性，组分对比或能够分离悬臂梁上作用的各种力的性质。
影响双模态AFM工作的三个主要因素：由非线性针尖面力引起的激发态耦合，记录有关材料性能信息的可观测值加倍和缺乏对附加激发态反馈限制。悬臂梁的本征模态有不同的力常数、质量因子和共振频率，因此他们不提供同样的敏感度以检测材料性能。
让我们先来谈谈双模态AFM在非均匀表面中的对比度的起源。在一般情况下，针尖表面力可以分保守和非保守(耗散)成分。
Fts=Fcon Fdis (3)
在幅度调制AFM中，使用时间平均模型（通常用varial和能量守恒，可以推导出一些将可观测值与力与能量平均值联系起来的解析或半解析表达式。例如，激发模态的相移表示为Oslash;i，其中Vts(i) 和Edis(i)分别是力维数和能量耗散在i轨道上耗散。在幅度调制AFM中，第一模态的振幅成像保持不变及A1=Asp。
Oslash;i = Oslash;i [Vts(i)，Edis(i) ] (4)
Oslash;
资料编号：[5062]
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