Атомно-силовая микроскопия

Принцип метода Атомно-силовая микроскопия (АСМ, AFM — Atomic Force Microscopy) относится к методам сканирующей зондовой микроскопии и позволяет получать трёхмерные изображения поверхности с атомным или нанометровым разрешением. Основной принцип основан на измерении сил взаимодействия между остриём зонда и поверхностью образца. Силы взаимодействия могут быть как притягивающими, так и отталкивающими и включают ван-дер-ваальсовы, электростатические, магнитные и химические компоненты.

Сканирование поверхности производится с помощью тонкого кантилевера, на конце которого закреплён острый зонд. Деформация кантилевера фиксируется лазерным лучом, отражённым от его верхней поверхности на фотодиодный датчик. Изменения положения фотодиода преобразуются в топографическую карту поверхности с субнанометровой точностью.

Режимы работы АСМ

1. Контактный режим (Contact Mode) В этом режиме зонд постоянно находится в контакте с поверхностью. Деформации кантилевера напрямую соответствуют неровностям поверхности. Контактный режим обеспечивает высокое разрешение по вертикали и горизонтали, но может повреждать мягкие полимерные образцы из-за силы трения.

2. Непрерывный режим качания (Tapping Mode или AC Mode) Кантилевер колеблется с собственной резонансной частотой, периодически касаясь поверхности. Этот режим минимизирует механическое воздействие на мягкие полимеры и позволяет получать более точные топографические данные без деформации образца.

3. Безконтактный режим (Non-Contact Mode) Зонд не касается поверхности, а регистрирует изменения силы притяжения на малом расстоянии. Метод используется для очень деликатных полимерных пленок и биополимеров, где даже слабый контакт может изменить структуру материала.

Применение АСМ в химии полимеров

• Топография и морфология АСМ позволяет изучать морфологию полимерных пленок, нанокомпозитов и биополимерных структур с разрешением до отдельных цепей полимера. Можно оценивать шероховатость, пористость и распределение фаз в смешанных полимерах.

• Изучение механических свойств Измерения кривых «сила-деформация» дают информацию о жёсткости, упругости и вязкости полимеров на наноуровне. Этот подход позволяет выявлять локальные различия в механических свойствах аморфных и кристаллических областей полимеров.

• Адгезия и поверхностная энергия АСМ используется для измерения сил адгезии между зондом и полимерной поверхностью, что позволяет оценивать поверхностную энергию, гидрофобность или гидрофильность материалов.

• Наноструктурирование и модификация поверхности С помощью АСМ возможно не только исследование поверхности, но и её локальное изменение на нанометровом уровне, включая создание нанопatterns и функционализацию полимеров.

Преимущества метода

• Высокое пространственное разрешение (до долей нанометра по вертикали и 1–10 нм по горизонтали).
• Возможность работы с изолированными молекулами и биополимерами.
• Возможность измерения локальных механических и адгезионных свойств.
• Относительная простота подготовки образца без необходимости проводить его осушение или металлизацию, как в электронной микроскопии.

Ограничения и сложности

• Малая скорость сканирования по сравнению с оптическими методами.
• Риск повреждения мягких полимеров в контактном режиме.
• Ограниченная область сканирования (обычно до 100 × 100 мкм²).
• Необходимость точной калибровки кантилевера и анализа кривых «сила-деформация» для корректного интерпретирования данных.

Современные тенденции Развитие АСМ включает интеграцию с другими методами:

• AFM-IR — комбинация атомно-силовой микроскопии с инфракрасной спектроскопией для химического картирования поверхности.
• PeakForce QNM — режим количественной наномеханики, позволяющий одновременно получать топографию и карту механических свойств.
• Высокоскоростная АСМ — обеспечивает динамическое наблюдение за изменением структуры полимеров в реальном времени.

АСМ остаётся незаменимым инструментом для исследования полимеров, предоставляя уникальную информацию о структуре, морфологии и локальных свойствах материалов на наноуровне.