ในสาขาวิทยาศาสตร์วัสดุกล้องจุลทรรศน์แรงเคมี ( CFM ) เป็นรูปแบบหนึ่งของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ซึ่งกลายเป็นเครื่องมืออเนกประสงค์สำหรับการวิเคราะห์ลักษณะพื้นผิว ของวัสดุ AFM ใช้การตรวจสอบโครงสร้างทางสัณฐานวิทยาโดยใช้โหมดการแตะหรือการสัมผัสแบบง่ายๆ ซึ่งใช้แรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างปลายหัววัดและตัวอย่างเพื่อรักษาระดับการเบี่ยงเบนของหัววัดให้คงที่ (โหมดแรงคงที่) หรือรักษาระดับความสูงขณะวัดการเบี่ยงเบนของปลายหัววัด (โหมดความสูงคงที่) ในทางกลับกัน CFM ใช้ปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างปลายหัววัดที่มีฟังก์ชันการทำงานและตัวอย่าง โดยทั่วไปแล้ว เคมีที่เลือกใช้จะเป็นปลายหัววัดเคลือบทองและพื้นผิวที่มีหมู่ไทออล R−SH ติดอยู่ โดยที่ R คือหมู่ฟังก์ชันที่สนใจ CFM ช่วยให้สามารถกำหนดลักษณะทางเคมีของพื้นผิวได้โดยไม่คำนึงถึงสัณฐานวิทยาเฉพาะ และอำนวยความสะดวกในการศึกษาเอนทาลปีพันธะเคมี พื้นฐาน และพลังงานพื้นผิวโดยทั่วไปแล้ว CFM มีข้อจำกัดเนื่องจากการสั่นสะเทือนทางความร้อนภายในคานที่ยึดหัววัดไว้ ข้อจำกัดนี้ทำให้ความละเอียดในการวัดแรงอยู่ที่ประมาณ 1 pN ซึ่งยังคงเหมาะสมมากเมื่อพิจารณาว่า ปฏิกิริยา COOH/CH ₃ ที่อ่อนแอ อยู่ที่ประมาณ 20 pN ต่อคู่^{[ 1 ] [ 2 ]}ความไม่ชอบน้ำถูกใช้เป็นตัวอย่างหลักตลอดการพิจารณา CFM นี้ แต่แน่นอนว่าพันธะประเภทใดก็ได้สามารถตรวจสอบได้ด้วยวิธีนี้

CFM ได้รับการพัฒนาขึ้นเป็นหลักโดยCharles Lieberที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในปี 1994 ^{[ 1 ]}วิธีการนี้ได้รับการสาธิตโดยใช้คุณสมบัติไม่ชอบน้ำ โดยโมเลกุลที่มีขั้ว (เช่น COOH) มีแนวโน้มที่จะยึดเกาะกันได้แน่นที่สุด รองลงมาคือโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว (เช่น CH ₃ -CH ₃ ) และการรวมกันจะอ่อนที่สุด ปลายหัววัดได้รับการปรับแต่ง และพื้นผิวได้รับการสร้างลวดลายด้วยโมเลกุลเหล่านี้ การผสมผสานการปรับแต่งทั้งหมดได้รับการทดสอบ ทั้งโดยการสัมผัสและการกำจัดปลายหัววัด รวมถึงการทำแผนที่เชิงพื้นที่ของพื้นผิวที่สร้างลวดลายด้วยโมเลกุลทั้งสองชนิด และสังเกตความเสริมกันในความคมชัดของภาพ วิธีการทั้งสองนี้จะกล่าวถึงด้านล่าง เครื่องมือ AFM ที่ใช้มีลักษณะคล้ายกับที่แสดงในรูปที่ 1

นี่คือโหมดการทำงานของ CFM ที่ง่ายกว่า โดยนำปลายที่ได้รับการปรับแต่งมาสัมผัสกับพื้นผิวและดึงเพื่อสังเกตแรงที่ทำให้เกิดการแยกตัว( ดูรูปที่ 2) ทฤษฎีกลศาสตร์การยึดเกาะ ของ${\displaystyle F_{ad}}$ Johnson-Kendall-Roberts (JKR) ทำนายค่านี้ไว้ดังนี้^{[ 1 ] [ 2 ]}

(1)${\displaystyle F_{ad}={\frac {3}{2}}\pi RW_{STM}}$

โดยที่⁠ ⁠คือรัศมีของปลายหัววัด และ⁠ ⁠คือพลังงานพื้นผิวต่างๆ ระหว่างปลายหัววัด ตัวอย่าง และตัวกลางที่แต่ละส่วนอยู่ (ของเหลวจะกล่าวถึงต่อไป) ⁠ ⁠มักได้มาจาก SEM และ⁠ ⁠และ⁠ ⁠จากการวัดมุมสัมผัสบนพื้นผิวที่มีหมู่ฟังก์ชันที่กำหนด เมื่อใช้หมู่ฟังก์ชันเดียวกันและส่งผลให้ การทำเช่นนี้สองครั้งกับหมู่ฟังก์ชันที่แตกต่างกันสอง _หมู่ (เช่นCOOHและCH₃ ) จะให้ค่า⁠ ⁠และ⁠ ⁠ซึ่งทั้งสองค่าสามารถใช้ร่วมกันในการทดลองเดียวกันเพื่อกำหนด⁠ ⁠ดังนั้น⁠ ⁠สามารถคำนวณได้สำหรับการรวมกันของหมู่ฟังก์ชันใดๆ เพื่อเปรียบเทียบกับค่าที่กำหนดโดย CFM ${\displaystyle W_{SMT}=\gamma _{SM}+\gamma _{TM}-\gamma _{ST}}$${\displaystyle R}$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle R}$${\displaystyle \gamma _{SM}}$${\displaystyle \gamma _{TM}}$${\displaystyle \gamma _{SM}=\gamma _{TM}}$${\displaystyle \gamma _{ST}=0}$${\displaystyle F_{ad}=3\pi R\gamma _{SM,TM}.}$${\displaystyle \gamma _{SM}}$${\displaystyle \gamma _{TM}}$${\displaystyle \gamma _{ST}}$${\displaystyle F_{ad}}$

สำหรับปลายและพื้นผิวที่มีฟังก์ชันการทำงานคล้ายกัน ทฤษฎี JKR ยังทำนายรัศมีสัมผัสที่ปลายแยกออกอีกด้วย^{[ 2 ]}

(2)${\displaystyle r=\left({\frac {3\pi \gamma R^{2}}{K}}\right)^{\frac {1}{3}}}$

โดยที่ ค่าโมดูลัสของยัง (Young's modulus ) ที่มีประสิทธิภาพของปลายหัววัดนั้นได้มาจากค่าจริงและอัตราส่วนปัว ซอง ( Poisson ratio )หากทราบพื้นที่ที่มีประสิทธิภาพของกลุ่มฟังก์ชันเดี่ยว( เช่น จากการจำลองทางเคมีควอนตั ม ) จำนวนลิแกนด์ทั้งหมดที่มีส่วนร่วมในแรงดึงสามารถประมาณได้ดัง ที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ความละเอียดของแรงของ CFM ช่วยให้สามารถตรวจสอบพันธะแต่ละพันธะ ได้แม้แต่พันธะที่อ่อนที่สุด แต่โดยทั่วไปแล้วความโค้งของปลายหัววัดจะขัดขวางสิ่งนี้ การใช้สมการที่ 2 รัศมีของความโค้ง< 10 นาโนเมตรได้รับการกำหนดเป็นข้อกำหนดในการดำเนินการทดสอบแรงดึงของโมเลกุลเชิงเส้นแต่ละโมเลกุล^{[ 2 ]}${\textstyle K={\frac {2}{3}}{\frac {E}{1-\nu ^{2}}}}$${\displaystyle E}$${\displaystyle \nu }$${\displaystyle A_{FG}}$${\displaystyle \pi r^{2}/A_{FG}.}$${\displaystyle R}$

ข้อสังเกตสั้นๆ คือ งานที่สอดคล้องกับฮิสเทอรีซิสในโปรไฟล์แรง (รูปที่ 2) ไม่มีความสัมพันธ์กับพลังงานพันธะ งานที่ทำในการดึงปลายกลับนั้นประมาณได้จากพฤติกรรมเชิงเส้นของการเสียรูป โดยที่⁠ ⁠คือแรง และ⁠ ⁠คือการเคลื่อนที่ทันทีก่อนปล่อย โดยใช้ผลลัพธ์ของ Frisbie et al., ^{[ 1 ]}ที่ปรับให้เป็นมาตรฐานตามกลุ่มฟังก์ชันที่สัมผัสกันประมาณ 50 กลุ่ม ค่าของงานจะถูกประมาณเป็น 39 eV, 0.25 eV และ 4.3 eV สำหรับ ปฏิกิริยา COOH/COOH , COOH/CH ₃และCH ₃ /CH ₃ตามลำดับ โดยประมาณ พลังงานพันธะระหว่างโมเลกุลสามารถคำนวณได้โดย: ⁠ ⁠คือจุดเดือด ตามนี้⁠ ⁠ = 32.5 meVสำหรับกรดฟอร์มิก HCOOH และ 9.73 meV สำหรับมีเทน CH ₄โดยแต่ละค่ามีขนาดเล็กกว่าที่การทดลองอาจแนะนำประมาณ 3 อันดับ แม้ว่าจะพิจารณาการทำให้พื้นผิวเฉื่อยด้วยEtOH (กล่าวถึงด้านล่าง) ข้อผิดพลาดขนาดใหญ่ก็ดูเหมือนจะไม่สามารถแก้ไขได้ พันธะไฮโดรเจนที่แข็งแรงที่สุดมีพลังงานสูงสุดประมาณ ~1 eV ^{[ 3 ]}สิ่งนี้บ่งชี้อย่างชัดเจนว่าคานยื่นมีค่าคงที่แรงน้อยกว่าหรืออยู่ในระดับเดียวกับปฏิสัมพันธ์ของพันธะ ดังนั้นจึงไม่สามารถถือได้ว่าแข็งอย่างสมบูรณ์ สิ่งนี้เปิดโอกาสให้เพิ่มประโยชน์ของ CFM หากสามารถใช้คานยื่นที่แข็งกว่าได้ในขณะที่ยังคงรักษาความละเอียดของแรงไว้ได้ ${\textstyle W=\int Fdx\approx {\frac {1}{2}}F_{max}\Delta x,}$${\displaystyle F_{max}$${\displaystyle \Delta x}$${\displaystyle E_{bond}=kT_{B},}$${\displaystyle T_{B}}$${\displaystyle E_{bond}}$

ปฏิกิริยาทางเคมีสามารถใช้ในการสร้างแผนที่พื้นผิวที่มีลวดลายล่วงหน้าซึ่งมีคุณสมบัติแตกต่างกันได้ (ดูรูปที่ 3) การสแกนพื้นผิวที่มีความชอบน้ำแตกต่างกันด้วยปลายหัววัดที่ไม่มีหมู่ฟังก์ชันติดอยู่ จะสร้างภาพที่ไม่มีความคมชัด เนื่องจากพื้นผิวไม่มีลักษณะทางสัณฐานวิทยา (การทำงานของ AFM แบบง่าย) การทำให้ปลายหัววัดมีคุณสมบัติชอบน้ำ จะทำให้คานยื่นงอเมื่อปลายหัววัดสแกนผ่านส่วนที่ชอบน้ำของพื้นผิวเนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างปลายหัววัดกับพื้นผิวที่แข็งแรง สิ่งนี้ถูกตรวจจับโดยการเบี่ยงเบนของเลเซอร์ในเครื่องตรวจจับที่ไวต่อตำแหน่ง ทำให้เกิดภาพโปรไฟล์ทางเคมีของพื้นผิว โดยทั่วไป บริเวณที่สว่างกว่าจะสอดคล้องกับแอมพลิจูดของการเบี่ยงเบนที่มากขึ้น ดังนั้นการยึดเกาะที่แข็งแรงกว่าจึงสอดคล้องกับบริเวณที่สว่างกว่าในแผนที่ภาพ CFM เมื่อเปลี่ยนคุณสมบัติของคานยื่นให้ปลายหัววัดงอเมื่อพบกับบริเวณที่ไม่ชอบน้ำของพื้นผิวแทน จะสังเกตเห็นภาพที่ตรงกันข้าม

ภาพที่ 4 แสดงการตอบสนองของแรงเสียดทานต่อปริมาณแรงกดตั้งฉากที่ปลายหัววัดกระทำต่อพื้นผิว การเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างปลายหัววัดกับพื้นผิวทำให้ความชันของกราฟสูงขึ้น ซึ่งเป็นไปตามที่คาดไว้ สิ่งที่สำคัญในเชิงการทดลองคือ ความแตกต่างระหว่างคุณสมบัติต่างๆ บนพื้นผิวอาจเพิ่มขึ้นได้ด้วยการใช้แรงกดตั้งฉากที่มากขึ้น แน่นอนว่า การทำเช่นนี้อาจทำให้พื้นผิวเสียหายได้

แรงคาปิลลารีเป็นปัญหาสำคัญในการวัดแรงดึง เนื่องจากมันทำให้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างปลายหัววัดกับพื้นผิวแข็งแรงขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ โดยปกติแล้วเกิดจากความชื้นที่ดูดซับอยู่บนพื้นผิวจากสภาพแวดล้อมโดยรอบ เพื่อกำจัดแรงเพิ่มเติมนี้ สามารถทำการวัดในของเหลวได้ ด้วยปลายหัววัดที่ลงท้ายด้วย X และพื้นผิวในของเหลว L แรงเพิ่มเติมต่อ F _adจะคำนวณโดยใช้สมการที่ 1 โดยที่ W _XLX = 2γ _LLนั่นคือ แรงพิเศษมาจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของของเหลว ซึ่งมีค่าประมาณ 10 pN สำหรับ EtOH ซึ่งยังคงอนุญาตให้สังเกตปฏิสัมพันธ์ระหว่างขั้ว/ไม่ขั้วที่อ่อนที่สุดได้ (~20 pN) ^{[ 2 ]}การเลือกของเหลวขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ที่สนใจ เมื่อตัวทำละลายไม่สามารถผสมกับหมู่ฟังก์ชันได้ จะมีการยึดเกาะระหว่างปลายหัววัดกับพื้นผิวที่ใหญ่กว่าปกติ ดังนั้น ตัวทำละลายอินทรีย์จึงเหมาะสมสำหรับการศึกษาแรงแวนเดอร์วาลส์และพันธะไฮโดรเจน ในขณะที่อิเล็กโทรไลต์เหมาะที่สุดสำหรับการตรวจสอบแรงไฮโดรโฟบิกและแรงไฟฟ้าสถิต

การประยุกต์ใช้ CFM ทางชีวภาพในระดับนาโนคือการคลี่โปรตีนด้วยปลายและพื้นผิวที่มีฟังก์ชัน (ดูรูปที่ 5) ^{[ 4 ]}เนื่องจากพื้นที่สัมผัสที่เพิ่มขึ้น ปลายและพื้นผิวจึงทำหน้าที่เป็นตัวยึดที่ยึดกลุ่มโปรตีนไว้ในขณะที่พวกมันแยกออกจากกัน เมื่อการคลี่ออกเกิดขึ้น แรงที่ต้องการจะกระโดด ซึ่งบ่งชี้ถึงขั้นตอนต่างๆ ของการคลี่ออก: (1) การแยกออกเป็นกลุ่ม (2) การแยกกลุ่มออกเป็นโดเมนของโปรตีนผลึกที่ยึดเข้าด้วยกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ และ (3) การทำให้โปรตีนเป็นเส้นตรงเมื่อเอาชนะพันธะรอง วิธีนี้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของโปรตีนที่ซับซ้อนเหล่านี้ รวมถึงความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ขององค์ประกอบต่างๆ

ข้อพิจารณาประการที่สองคือการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของวัสดุระดับนาโนที่เป็นเอกลักษณ์ อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง ที่สูง ของท่อนาโนคาร์บอน (มากกว่า 1000 ได้อย่างง่ายดาย) ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างภาพพื้นผิวที่มีลักษณะเฉพาะลึก^{[ 5 ]}การใช้วัสดุคาร์บอนช่วยขยายขอบเขตเคมีของการทำงาน เนื่องจากมีวิธีการดัดแปลงทางเคมีของผนังด้านข้างของท่อนาโนมากมายนับไม่ถ้วน (เช่น ด้วยไดอะโซเนียม อัลคิลอย่างง่าย ไฮโดรเจน โอโซน/ออกซิเจน และเอมีน) โดยทั่วไปจะใช้ท่อนาโนแบบหลายผนังเนื่องจากความแข็งแกร่ง เนื่องจากปลายของท่อมีลักษณะเป็นระนาบโดยประมาณ จึงสามารถประมาณจำนวนกลุ่มฟังก์ชันที่สัมผัสกับพื้นผิวได้ โดยทราบเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อและจำนวนผนัง ซึ่งช่วยในการกำหนดคุณสมบัติแรงดึงของโมเลกุลเดี่ยว แน่นอนว่าวิธีการนี้มีนัยสำคัญอย่างชัดเจนในด้านไตรโบโลยีเช่นกัน