人類認(rèn)識真理的過程就像剝洋蔥，由表及里一層層遞進(jìn)。

反映到對化學(xué)反應(yīng)過程的認(rèn)識，一開始，人們通過物質(zhì)的形、色等外在表象認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)。正如現(xiàn)代化學(xué)之父拉瓦錫重復(fù)的經(jīng)典“氧化汞加熱”實(shí)驗(yàn)一樣，氧化汞由紅色粉末變?yōu)橐簯B(tài)的金屬汞，這個(gè)顯著的變化意味著反應(yīng)的發(fā)生。即使到了近現(xiàn)代，儀器分析手段越來越多樣，我們做常用的分析手段也是通過物質(zhì)外在狀態(tài)的變化進(jìn)行觀察，或者利用各類顯微鏡及X射線衍射儀觀察物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化。

拉瓦錫之匙

拉瓦錫對化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的質(zhì)量、顏色、狀態(tài)變化的觀察，猶如在重重黑暗中，找到了打卡化學(xué)之門的那把鑰匙。

元素周期表

到19世紀(jì)，道爾頓和阿伏加德羅的原子、分子理論確立，門捷列夫編列了元素周期表。

原子、分子、元素概念的建立令化學(xué)豁然開朗

自從用原子-分子論來研究化學(xué)，化學(xué)才真正被確立為一門科學(xué)。正是隨著對不同元素的各種微粒組合變化的認(rèn)識發(fā)展，化學(xué)的大門終于被打開。

伴隨金屬鍵、共價(jià)鍵、離子鍵、氫鍵等各種“鍵”概念的提出，人們逐漸認(rèn)識到各種反應(yīng)的本質(zhì)是原子或分子等微粒間的力學(xué)變化。于是，對反應(yīng)的觀測需要微觀下的力學(xué)測量工作。

作為專門利用極近距離下極小顆粒間作用力工作的原子力顯微鏡，此事展現(xiàn)了自身巨大優(yōu)勢。無論是直接測試不同分子間的作用力，還是利用力的測量完成表面形貌的表征，原子力顯微鏡以高分辨率出色地完成了任務(wù)。

對于一些生物樣品，例如脂質(zhì)膜，因?yàn)槠涫怯闪字肿訕?gòu)成的單層或雙層結(jié)構(gòu)，極其柔軟，因此其表面作用力極其微弱。從測試曲線上可以看出，脂質(zhì)膜對探針的力只有約1pN，但是原子力顯微鏡的測試曲線上可以很清晰地捕捉到這個(gè)變化。

有趣的是，人們對真理的發(fā)掘，是由表及里的。但是利用原子力顯微鏡對化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，卻是由內(nèi)而外的。

原子力顯微鏡基本是被作為一種表面分析工具使用的。這使其只能用來觀察反應(yīng)前后固相表面的結(jié)構(gòu)變化，或者通過固相表面的各種屬性，如機(jī)械性能、電磁學(xué)性能等側(cè)面論證反應(yīng)的發(fā)生。而要真正觀察到反應(yīng)的過程，是要對界面層進(jìn)行觀測的。因?yàn)閹缀跛械姆磻?yīng)，都是發(fā)生在兩相界面處的，表面只是最終反應(yīng)結(jié)果的呈現(xiàn)。

在界面處，反應(yīng)發(fā)生時(shí)，原有的原子/分子間的作用力——也就是各種“鍵”，因?yàn)殡娮拥臓顟B(tài)變化（得失或者偏移）無法維持原有的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致了原子/分子的重新排列，直到形成了新的力學(xué)穩(wěn)定態(tài)——也就是新的“鍵”形成后，反應(yīng)結(jié)束。這個(gè)過程的核心就是原子/分子間的“力的變化”。

反應(yīng)的本質(zhì)——微粒間力的分分合合

當(dāng)化學(xué)科學(xué)的車輪推進(jìn)到納米時(shí)代，當(dāng)探索的前鋒觸摸了兩相界面，當(dāng)理論的深度深入到動(dòng)力學(xué)的研究。原子力顯微鏡是否能夠當(dāng)此重任呢？

能。但是需要一番蛻變。

界面處的力梯度有兩個(gè)特點(diǎn)。一是更為集中，一般在0.3nm-1nm左右的范圍內(nèi)會(huì)有2-4個(gè)梯度變化；二是更為微弱，現(xiàn)在的原子力顯微鏡可以有效捕捉皮牛級的力變化，但是在表征界面時(shí)依然分辨率不足，需要的分辨率要提高1-2個(gè)數(shù)量級。

新的需求引導(dǎo)了新的技術(shù)蛻變。調(diào)頻模式的成熟化，幾乎完美應(yīng)對了界面處的力梯度特點(diǎn)。一方面，只有幾個(gè)埃的振幅可以有效對整個(gè)界面區(qū)進(jìn)行表征，另一方面，檢測噪音壓低到20 fm/√Hz以內(nèi)，保證了*的分辨率。

島津調(diào)頻型原子力顯微鏡SPM-8100FM

例如對固液界面的觀察。我們都知道，因?yàn)樵诠桃航缑嫣?，因?yàn)橐后w分子和固體表面分子的距離不同，會(huì)形成不同的作用力，如氫鍵、偶極矩、色散力等。因此形成的液體分子的堆積密度會(huì)有不同。這種液體分子的分層模型，是潤滑、浸潤、表面張力等領(lǐng)域的底層原理。但是長期以來，這些理論只存在于數(shù)理模型和宏觀現(xiàn)象解釋之中，沒有一個(gè)合適的直觀觀測工具。

界面觀測之牛刀小試

島津的SPM-8100FM的出現(xiàn)，將固液界面的高效表征變成了現(xiàn)實(shí)。上圖右側(cè)就是云母和水的界面處，水分子的分層結(jié)構(gòu)，在約0.6nm的范圍內(nèi)，可以清楚看到3個(gè)分層。

具體到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，對表面潤滑的研究很適合采用這種分析工具進(jìn)行定性定量化測試。使用SPM-8100FM對潤滑油中氧化鐵表面上所形成的磷酸酯吸附膜進(jìn)行分析。

圖示為4組對照實(shí)驗(yàn)，分別是僅使用PAO（聚α-烯烴）和添加了不同濃度的C18AP（正磷酸油酸酯）的潤滑油。

在未添加C18AP的PAO中，觀察到層間距離0.66 nm的層狀結(jié)構(gòu)。通過這一層次可以看出，PAO分子在氧化鐵膜表面上形成了平行于表面的平坦的覆層。隨著C18AP濃度不斷增加，從0.2 ppm到2 ppm后，層狀結(jié)構(gòu)開始消失，最后在20 ppm和200 ppm時(shí)*觀察不到。層狀結(jié)構(gòu)消失表明PAO分子定向結(jié)構(gòu)被C18AP取代，在基片上形成了吸附膜。隨著C18AP濃度不斷增加，氧化鐵基片表面逐漸被吸附膜覆蓋。

對照使用擺錘式摩擦力測試儀測量獲得的鋼-潤滑油-鋼界面的摩擦系數(shù)。在添加C18AP濃度到達(dá)20 ppm后，PAO的摩擦系數(shù)大大降低。和微觀界面表征的結(jié)果非常吻合。

由此可見，使用SPM-8100FM對潤滑油-氧化鐵界面實(shí)施滑動(dòng)表面摩擦特性分析評估，可有效加快潤滑油開發(fā)進(jìn)度。

技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了科學(xué)的進(jìn)步，科學(xué)的發(fā)展也渴求更多的技術(shù)發(fā)展。原子力顯微鏡表征技術(shù)由表面向界面的延伸，一定會(huì)有力地推動(dòng)對化學(xué)由表象向本質(zhì)的探索。島津?qū)⒁蝗缂韧乇M其所能，提供幫助。

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