在做原子力顯微鏡AFM測試時，科學指南針檢測平臺工作人員在與很多同學溝通中了解到，好多同學對AFM測試不太了解，針對此，科學指南針檢測平臺團隊組織相關同事對網(wǎng)上海量知識進行整理，希望可以幫助到科研圈的伙伴們；

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在薄膜技術中的應用

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隨著膜技術的蓬勃發(fā)展，人們力圖通過控制膜的表面形態(tài)結構，改進制膜的方法，進而提高膜的性能。在過去的多年的研究中，關于膜的制備、形態(tài)與性能之間的關系已經做了多方面的嘗試和研究，而且這些嘗試和研究對于膜的形成與透過機理都十分有價值，然而由于過程相當復雜，對其中的理解仍然是不夠充分的。1988年，當AFM發(fā)明以后，Albrecht等人首次將其應用于聚合物膜表面形態(tài)的觀測之中，為膜表面形態(tài)的研究開啟了一扇新的大門。

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AFM在膜技術中的應用相當廣泛，它可以在大氣環(huán)境下和水溶液環(huán)境中研究膜的表面形態(tài)，精確測定其孔徑及孔徑分布，還可在電解質溶液中測定膜表面的電荷性質，定量測定膜表面與膠體顆粒之間的相互作用力。無論在對哪個參數(shù)的測定中，AFM都顯示了其他方法所沒有的優(yōu)點，因此，其應用范圍迅速增長，已經迅速變成膜科學技術中發(fā)展和研究的基本手段。

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用于膜表面形態(tài)和結構特征研究的手段方法和很多，如掃描電子顯微鏡、壓汞法、泡點法、氣體吸附-脫附法、熱孔法以及溶質透過特性等等。其中只有掃描電子顯微鏡能夠提供直接而又詳細的資料，如孔形狀和孔徑分布。它在一段時期曾是微電子學的標準研究工具，它可以分辨出小至幾個毫微米的細節(jié)。但是這種顯微鏡要求試樣表面涂覆金屬并在真空中成像，三維分辨能力差，發(fā)射的高能電子可能會損壞試樣表面而造成測量偏差。AFM通過探針在試樣表面來回掃描，生成可達到原子分辨率水平的圖象，并不苛刻的操作條件（它可以在大氣和液體環(huán)境中操作），以及試樣不需進行任何預處理的特點，其在膜技術中的應用引起了廣泛的興趣。

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AFM在膜技術中的應用與研究主要包括以下幾個方面：

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1)膜表面結構的觀察與測定，包括孔結構、孔尺寸、孔徑分布；

2)膜表面形態(tài)的觀察，確定其表面粗糙度；

3)膜表面污染時的變化，以及污染顆粒與膜表面之間的相互作用力，確定其污染程度；

4)膜制備過程中相分離機理與不同形態(tài)膜表面的之間的關系。

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膜表面結構的觀察與測定

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當一幅清晰的AFM圖象得到后，在圖象上選定一條線作線分析（lineanalysis），可做孔徑和孔徑分布的研究。在使用AFM觀測膜的表面時，科研工作者不忘將其測定結果與其它方法得到的結果進行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，AFM的接觸模式與非接觸模式的測定結果相似，而SEM和TEM的測定值都偏小。造成這種偏差的原因是由測定方法所決定的。SEM要求在樣品表面覆蓋一層導電層，而TEM要求制備樣品的復制品。這些對試樣的預先處理都會帶來測量上的偏差。這已經得到了證實。同時，膜也有可能被電子光束所破壞。在膜表面結構和形態(tài)的觀察中研究人員還發(fā)現(xiàn)，膜的操作環(huán)境同樣會對測量結果產生影響。我們知道，AFM可以在大氣環(huán)境和液體環(huán)境中對膜表面進行成像掃描。Bowen在研究微孔膜時發(fā)現(xiàn)，隨著NaCl溶液濃度的變小，得到的表面圖象和孔徑測定結果都相對較差。因此，AFM不是說按一個簡單的按鈕就可以完成所有的工作，它需要在測試時調整各種參數(shù)以求達到最好的結果。盡管如此，它仍然不失為膜表面觀察的首選技術。

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膜的表面粗糙度

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通常認為，由高分子材料制備得到的合成膜表面應當是光滑的，因此認為在膜的制備過程中產生表面帶有花紋的膜是所不希望得到的。但是，隨著膜科學技術的發(fā)展和對膜現(xiàn)象的深入了解，人們越來越意識到為什么表面看似有花紋的膜在其透過通量上卻比平整的膜表面有更大的優(yōu)勢。AFM利用其先進的掃描技術和分析方法可以對膜的表面圖象進行分析，得到其粗糙度參數(shù)?？梢杂肁FM觀察反滲透膜時找到膜的透過通量與粗糙度之間的關系：隨膜表面粗糙度增高，膜的水通量增大，這是因為膜的有效面積增大的緣故。換言之，表面粗糙度大的膜表面可以獲得更大的比表面積以及更大的透過通量。用AFM研究膜表面時還發(fā)現(xiàn)，膜表面的粗糙區(qū)可分為非晶形區(qū)和晶形區(qū)，而且膜表面的不規(guī)整性還會影響膜的物理化學性質。

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透氣通量與膜表面粗糙度的變化關系

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反滲透膜和超濾膜在水處理中的一個主要問題是膜污染。在對膜的粗糙度進行研究時發(fā)現(xiàn)，膜表面的粗糙度與膜污染之間存在一定的關系。Elimelech等研究了被膠體污染了的醋酸纖維素反滲透膜和芳香聚酰胺反滲透復合膜，發(fā)現(xiàn)芳香聚酰胺復合膜的受污染程度高，這主要歸因于復合膜表面的粗糙度高。而且膜表面圖象也顯示了相對于醋酸纖維素反滲透膜較為平整的膜表面，芳香聚酰胺復合膜存在大量的“山峰”結構。Bowen對納濾膜的研究也得到了相似的結果。

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由上可見，AFM對膜表面的粗糙度的分析，對膜的性能與表面形態(tài)之間的關系研究提供了極大的方便。

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膜表面污染程度研究

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在研究膜的污染狀況前，先看看AFM在其中的作用。AFM可以通過測量懸臂的彎曲程度來測量膜表面與探針針尖之間的相互作用力。假設將針尖的硅/二氧化硅取而代之，換以一球形顆粒附著在懸臂上，測量其與膜表面之間的作用力，便可知其在膜上的粘附程度，從而預見膜表面的污染狀況，這種技術稱為“膠粒探針”技術。隨著技術的提高，顆粒的直徑可以從0.75μm做到15μm。利用“膠粒探針”技術定量分析膜表面與各種材料之間的相互作用力使得快速評估不同顆粒在膜表面的污染狀況成為可能，簡化了膜的研制過程，并在膜材料的選擇方面提供理論指導依據(jù)，從而推動低污染或無污染膜的快速發(fā)展。

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成膜機理研究

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高分子膜結構與相分離機理緊密相關，尤其是非晶形聚合物，相分離過程對膜的表面形態(tài)和結構影響極大。AFM對膜表面形態(tài)與結構的成像與分析，對于膜制備過程中的成膜機理研究也帶來了極大的幫助。

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AFM在膜技術方面顯示了強大的應用能力。無論在空氣中或是液體環(huán)境中，AFM無需對膜進行任何可能破壞表面結構的預處理，就能生成高清晰度的膜表面圖象。通過對膜表面形態(tài)、結構以及與顆粒間的相互作用力進行測定，使人們掌握膜的結構、形態(tài)與膜性能之間的關系，了解膜的抗污染程度，以及對成膜機理進行更深入的研究，推動膜科學技術的迅猛發(fā)展。

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