利用AFM研究单个气溶胶颗粒

海雾是大气气溶胶中的一种，它们通过选择性地吸收太阳辐射，参与云团的成核，进而影响全球的气候和环境。为了更好地理解气溶胶对环境气候的影响机制，科学家需要有合适的工具，对单个气溶胶颗粒进行亚微米级别的表征。尤其重要的一点是，科学家需要知道，这些气溶胶是以什么状态存在的，气态、液态、亦或是固态？

实验目的与方案：

通过牛津仪器MFP3D原子力显微镜，爱荷华大学的科学家研究了不同种类的海雾气溶胶，其中无机盐(NaCl和MgSO4)、有机酸(丙二酸、戊二酸、己二酸和棕榈酸)、糖类(葡萄糖、蔗糖和蜜三糖)、大肠杆菌的脂多糖以及无机-有机二元化学混合物(NaCl-丙二酸、NaCl-葡萄糖和MgSO4-葡萄糖)。

他们将不同种类气溶胶沉积在硅片上，使用轻敲模式进行扫描。MFP3D原子力显微镜的高分辨率能够精确地测定气溶胶的形貌参数。测试在MFP3D配套的湿度样品腔中（Humidity Sensing Cell）进行，可以在测试过程中，保持已知、稳定的湿度环境（相对湿度约为20%）。形貌测试之后，科学家通过AFM力曲线测量了颗粒的粘弹性性质。力曲线所提供的纳米力学信息可以用确定这些颗粒的物态。

AFM结果表明，颗粒的形貌和物态之间存在相关性。因此，仅仅通过形貌测试，就可以半定量地辨别颗粒的状态，无需事先了解化学成分。这种能力为快速评估气溶胶颗粒提供了新思路。

结果与分析：

纳米力学测量揭示了成分的粘弹性响应距离(VRD)、相对压痕深度(RID)和相态之间的相关性。形态成像进一步表明，颗粒的长宽比可以直接与VRD和RID联系起来，侧面说明材料的相态。

如下图所示，半固态样品对粘弹性的响应最敏感；固态样品更多呈现刚体的弹性特征，而粘性较弱，导致VRD较短；液态样品因为很软，很难在界面处检测到确切的粘弹性响应起始点。同理，硬质固态样品会积极抵抗形变，导致压痕深度RID较短；而液相样品极易被压穿，RID会趋近于1。通过这种分析框架，可以在不需要预先知道它们的化学成分的情况下，仅仅通过力曲线来半定量判断材料的相态。

图1 上：利用AFM力曲线探测：固相（NaCl），半固态（葡萄糖），以及液相（丙二酸）材料的特征。相对压痕深度(RID)值均已显示，注意液相不适合进行粘弹性响应距离(VRD)分析。下：相对湿度对粘弹性的影响，蓝色区域是过渡区。

AFM成像将所有粒子类型分为四种主要形态：圆形、棒状、棱柱形和核壳形。图2还显示粒子与固体表面碰撞后扩展的程度可以通过从AFM 3D高度图像中确定的长宽比（AR，Aspect Ratio）来量化。发现AR值取决于粒子的化学成分，并直接与粘弹性属性有关。并通过对众多的颗粒研究表明，仅通过获得单个沉积在基底上的粒子的纵横比图像就可以对其相态进行初步评估，而与使用的显微技术无关。

图2 上：AFM 3D图表征了在相对湿度为20%的条件下，棱柱型，壳核结构，棒状结构等不同形貌; 下：形貌（长宽比）对弹性模量的影响。根据前文的实验，将AR=0.165和0.365作为区分半固态相的边界，实验证明形态和力学性质息息相关，且越硬的材料越难在衬底上扩散。

利用牛津仪器MFP-3D，可以定性和定量地确定沉积在基底上的亚微米和超微米级粒子的基底上的形态、相态和粘弹性质之间的相互关系。科学家们强调了这些发现对于理解和预测材料性能的重要性，并为新型材料的设计和优化提供了新的思路，以满足不同的应用需求。