以納米精度測量表面之間的大規(guī)模相互作用，以更好地了解地質(zhì)構(gòu)造

背景

盡管我們在宏觀長度尺度上感知地質(zhì)過程，但地質(zhì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為可能會(huì)受到巖石微觀礦物結(jié)構(gòu)以及接觸礦物表面微觀尺度相互作用的顯著影響。礦物顆粒之間的微觀和納米級(jí)空間通常含有流體和水，它們可以反應(yīng)性地侵蝕或沉積材料，例如通過促進(jìn)結(jié)晶過程。總體而言，這些反應(yīng)性溶解和生長過程可能會(huì)產(chǎn)生鞏固或不穩(wěn)定的影響。這些可以進(jìn)一步以宏觀的、可觀察的隨時(shí)間的變化來表達(dá)。更好地理解這些過程對于預(yù)測地質(zhì)結(jié)構(gòu)的行為非常重要，無論是自然發(fā)展還是人類影響，例如。

Joanna Dziadkowiec 和 Anja R?yne 在奧斯陸大學(xué) Njord 中心進(jìn)行了研究，試圖了解當(dāng)?shù)V物表面被推在一起并受到液體和水的影響時(shí)，礦物表面接觸時(shí)會(huì)發(fā)生什么。隨著時(shí)間的推移，溶液和壓力引起的表面結(jié)構(gòu)變化會(huì)改變反應(yīng)性接觸表面彼此相互作用的方式。這反過來又影響粒狀巖石的整體力學(xué)行為。在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了表面力裝置(SFA)，這是一種測量裝置，可以確定兩個(gè)固體表面之間的相互作用力。與原子力顯微鏡不同，原子力顯微鏡在納米尺度上逐點(diǎn)探測表面，SFA 技術(shù)可對直徑高達(dá) 100 μm 的更大接觸面積進(jìn)行采樣。這個(gè)尺度更適合將他們的觀察與地質(zhì)相關(guān)過程聯(lián)系起來。為了完整地表征相互作用動(dòng)力學(xué)，研究人員還測量了表面之間的距離(想象一個(gè)彈簧，其中彈簧常數(shù)由所施加的力和距松弛位置的位移來表征)。使用多光束干涉測量法測量表面之間的納米級(jí)空間，其中樣品表面位于 2 個(gè)由白光源照明的高反射基底之間。發(fā)射的信號(hào)被成像到光譜儀的入口狹縫上并被分散以可視化相同色階的條紋(FECO 條紋)。例如，圖 1 顯示了兩個(gè)表面的 FECO 條紋與作用在它們之間的范德華力接觸。

FECO 干涉技術(shù)使研究人員能夠測量兩個(gè)礦物表面之間的距離分布，并檢測改變納米和微米級(jí)表面力和分離距離的反應(yīng)變化。通過觀察干擾圖案隨時(shí)間的變化，研究人員能夠研究液體存在時(shí)的反應(yīng)變化。圖 2 顯示了如何通過兩個(gè)靠近的表面之間存在的毛細(xì)管水橋來修改干涉圖案：毛細(xì)管橋由圖案中的不連續(xù)性指示，并且一旦注入水就會(huì)消失。

圖 1： 影片顯示了表面力裝置中兩個(gè)云母表面之間作用的吸引范德華力的 FECO。表面慢慢接觸。突然跳入平面接觸對應(yīng)于表面之間的吸引力。

圖 2： 在潮濕空氣中親水表面和金之間形成毛細(xì)管橋。平坦區(qū)域是表面之間的接觸區(qū)域。FECO 的平坦區(qū)域和彎曲部分之間的不連續(xù)性表明接觸區(qū)域與其外部的折射率存在差異(表面之間存在毛細(xì)管水橋，接觸區(qū)域外部存在空氣。)表面之間的水，毛細(xì)管橋消失，F(xiàn)ECO 邊緣的不連續(xù)性消失了。

挑戰(zhàn)

SFA中用于多光束FECO干涉的光譜系統(tǒng)需要較高的光譜精度和分辨率以及良好的成像能力。礦物樣品表面輪廓的變化可能在納米范圍內(nèi)，因此需要納米或亞納米范圍內(nèi)的光譜分辨率來準(zhǔn)確確定條紋位置。

通過將信號(hào)沿著光譜儀的入口狹縫分散到系統(tǒng)相機(jī)上的高光譜干涉圖像中來觀察干涉圖案，其中與波長相對應(yīng)的水平位置和垂直位置可以映射到相對較大的樣本區(qū)域內(nèi)的不同點(diǎn)出于興趣。光譜儀良好的成像質(zhì)量確保相機(jī)上所有點(diǎn)的信號(hào)不失真。針對單光譜通道檢測進(jìn)行優(yōu)化的光譜儀通常會(huì)在焦平面中心之外顯示出嚴(yán)重的圖像像差，從而導(dǎo)致失真、信號(hào)減弱和測量精度損失?！癐soPlane 系統(tǒng)的低像差使我們能夠?qū)?2D 光譜干涉圖樣進(jìn)行非常精確的測量。與 LightField 和 Intellical 相結(jié)合，該系統(tǒng)可以非常有效地設(shè)置具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)測量，例如限制中的活性礦物表面的成像”

解決方案

Njord 中心的多光束干涉裝置使用IsoPlane-SCT320 攝譜儀和PIXIS-2KBUV相機(jī)對 FECO 條紋進(jìn)行高光譜檢測。

IsoPlane 是一款先進(jìn)的成像光譜儀，具有像差校正光學(xué)器件，可顯著減少圖像像差，例如可能扭曲光譜圖像的像散。由于信號(hào)光更好地聚焦到相機(jī)上，焦平面任何點(diǎn)的良好圖像質(zhì)量也提高了分辨率。IsoPlane 非常適合需要高光譜和空間分辨率的多通道和高光譜測量。

PIXIS-2KBUV 具有大型 2048×512 像素傳感器，覆蓋焦平面的廣闊區(qū)域，因此可以同時(shí)測量更廣泛的樣品位置輪廓。PIXIS 是一款深冷科學(xué)相機(jī)，噪聲極低，針對精確的定量信號(hào)檢測進(jìn)行了優(yōu)化。

由于研究人員經(jīng)常在不同的光譜范圍內(nèi)工作，他們還使用稱為Intellical 的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行精確的波長校準(zhǔn)。該系統(tǒng)由 Princeton Instruments LightField 軟件控制，確?？梢钥焖偻瓿晒庾V校準(zhǔn)，且精度非常高(比其他常見校準(zhǔn)方法高出 10 倍)。

研究人員還必須長時(shí)間監(jiān)測樣品表面之間的相互作用，以便能夠檢測反應(yīng)變化。使用LightField中的延時(shí)功能，可以輕松地將實(shí)驗(yàn)設(shè)置為以任意時(shí)間間隔自動(dòng)長時(shí)間采集圖像，因此可以考慮表面演化的速度來優(yōu)化采集。

審核編輯 黃宇