以纳米精度测量表面之间的大规模相互作用，以更好地了解地质构造

背景

尽管我们在宏观长度尺度上感知地质过程，但地质结构的力学行为可能会受到岩石微观矿物结构以及接触矿物表面微观尺度相互作用的显着影响。矿物颗粒之间的微观和纳米级空间通常含有流体和水，它们可以反应性地侵蚀或沉积材料，例如通过促进结晶过程。总体而言，这些反应性溶解和生长过程可能会产生巩固或不稳定的影响。这些可以进一步以宏观的、可观察的随时间的变化来表达。更好地理解这些过程对于预测地质结构的行为非常重要，无论是自然发展还是人类影响，例如。

Joanna Dziadkowiec 和 Anja Røyne 在奥斯陆大学 Njord 中心进行了研究，试图了解当矿物表面被推在一起并受到液体和水的影响时，矿物表面接触时会发生什么。随着时间的推移，溶液和压力引起的表面结构变化会改变反应性接触表面彼此相互作用的方式。这反过来又影响粒状岩石的整体力学行为。在他们的实验中，研究人员使用了表面力装置(SFA)，这是一种测量装置，可以确定两个固体表面之间的相互作用力。与原子力显微镜不同，原子力显微镜在纳米尺度上逐点探测表面，SFA 技术可对直径高达 100 μm 的更大接触面积进行采样。这个尺度更适合将他们的观察与地质相关过程联系起来。为了完整地表征相互作用动力学，研究人员还测量了表面之间的距离(想象一个弹簧，其中弹簧常数由所施加的力和距松弛位置的位移来表征)。使用多光束干涉测量法测量表面之间的纳米级空间，其中样品表面位于 2 个由白光源照明的高反射基底之间。发射的信号被成像到光谱仪的入口狭缝上并被分散以可视化相同色阶的条纹(FECO 条纹)。例如，图 1 显示了两个表面的 FECO 条纹与作用在它们之间的范德华力接触。

FECO 干涉技术使研究人员能够测量两个矿物表面之间的距离分布，并检测改变纳米和微米级表面力和分离距离的反应变化。通过观察干扰图案随时间的变化，研究人员能够研究液体存在时的反应变化。图 2 显示了如何通过两个靠近的表面之间存在的毛细管水桥来修改干涉图案：毛细管桥由图案中的不连续性指示，并且一旦注入水就会消失。

图 1： 影片显示了表面力装置中两个云母表面之间作用的吸引范德华力的 FECO。表面慢慢接触。突然跳入平面接触对应于表面之间的吸引力。

图 2： 在潮湿空气中亲水表面和金之间形成毛细管桥。平坦区域是表面之间的接触区域。FECO 的平坦区域和弯曲部分之间的不连续性表明接触区域与其外部的折射率存在差异(表面之间存在毛细管水桥，接触区域外部存在空气。)表面之间的水，毛细管桥消失，FECO 边缘的不连续性消失了。

挑战

SFA中用于多光束FECO干涉的光谱系统需要较高的光谱精度和分辨率以及良好的成像能力。矿物样品表面轮廓的变化可能在纳米范围内，因此需要纳米或亚纳米范围内的光谱分辨率来准确确定条纹位置。

通过将信号沿着光谱仪的入口狭缝分散到系统相机上的高光谱干涉图像中来观察干涉图案，其中与波长相对应的水平位置和垂直位置可以映射到相对较大的样本区域内的不同点出于兴趣。光谱仪良好的成像质量确保相机上所有点的信号不失真。针对单光谱通道检测进行优化的光谱仪通常会在焦平面中心之外显示出严重的图像像差，从而导致失真、信号减弱和测量精度损失。“IsoPlane 系统的低像差使我们能够对 2D 光谱干涉图样进行非常精确的测量。与 LightField 和 Intellical 相结合，该系统可以非常有效地设置具有挑战性的科学测量，例如限制中的活性矿物表面的成像”

解决方案

Njord 中心的多光束干涉装置使用IsoPlane-SCT320 摄谱仪和PIXIS-2KBUV相机对 FECO 条纹进行高光谱检测。

IsoPlane 是一款先进的成像光谱仪，具有像差校正光学器件，可显着减少图像像差，例如可能扭曲光谱图像的像散。由于信号光更好地聚焦到相机上，焦平面任何点的良好图像质量也提高了分辨率。IsoPlane 非常适合需要高光谱和空间分辨率的多通道和高光谱测量。

PIXIS-2KBUV 具有大型 2048×512 像素传感器，覆盖焦平面的广阔区域，因此可以同时测量更广泛的样品位置轮廓。PIXIS 是一款深冷科学相机，噪声极低，针对精确的定量信号检测进行了优化。

由于研究人员经常在不同的光谱范围内工作，他们还使用称为Intellical 的自动化系统进行精确的波长校准。该系统由 Princeton Instruments LightField 软件控制，确保可以快速完成光谱校准，且精度非常高(比其他常见校准方法高出 10 倍)。

研究人员还必须长时间监测样品表面之间的相互作用，以便能够检测反应变化。使用LightField中的延时功能，可以轻松地将实验设置为以任意时间间隔自动长时间采集图像，因此可以考虑表面演化的速度来优化采集。

审核编辑 黄宇