原子力显微镜在沥青材料中的应用

现代显微镜方法，如原子力显微镜（AFM），大大增加了我们对沥青微观结构的了解。这篇文章将进一步讨论这个话题，看一下应用和行业的未来。

沥青材料

沥青材料。图片来源：hans.slegers/Shutterstock.com

什么是沥青？
沥青是一种通过蒸馏原油而产生的材料。它经常被用于建筑，特别是道路、高速公路和人行道。

沥青材料表现出显著的耐水性和粘合性。蒸馏过程将较重的沥青与原油中较轻的成分分离，如汽油和柴油。

在古代湖泊的底部也可以发现天然的沥青矿藏，那里以前存在着腐烂、受热和压缩的史前物种。

沥青含有钙、铁、硫、氧和复杂的碳氢化合物。所用原油的类型和来源决定了材料的质量和制造的简单性。

在重大的重量下，沥青会永久变形，如果材料持续处于压力之下，可能会出现裂缝。它们也可能因为氧化而变得很脆。

沥青混合物的成分和温度影响其形状。了解沥青的结构和动态是有效使用它们的关键。

沥青的测试方法
材料科学的一些尖端测试方法已被应用于沥青，以提高我们对其特征的理解。

一些显微镜方法有助于检查沥青材料的形态学特性。一个非详尽的清单包括。

荧光显微镜
扫描电子显微镜
偏振光显微镜
由于技术上的限制，使用上述技术在纳米尺度上观察重要的沥青特性仍然是一个挑战。

原子力显微镜（AFM）的发展为克服这些技术限制提供了一个强有力的工具。AFM是一种快速的表面成像技术，能够以纳米级的分辨率观察和研究材料的二维和三维拓扑结构。

什么是原子力显微镜？
在整个仪器历史上，显微镜随着技术的进步而迅速发展，将科学研究和材料创造推向了更高的细节水平。

扫描隧道显微镜（STM）是观察材料表面特性的一种有价值的方法，由Binning和Rohrer在1981年创建。然而，STM样品需要导电，这限制了其应用。

第一台AFM仪器是由Binning等人创建的。在这个复杂的表面成像技术中，探针和试样之间的作用力被利用，建立在STM的基础上，用于研究纳米尺度的材料表面的特性。

 AFM的示意图

现代显微镜方法，如原子力显微镜（AFM），大大增加了我们对沥青微观结构的了解。这篇文章将进一步讨论这个话题，看一下应用和行业的未来。

沥青材料

沥青材料。图片来源：hans.slegers/Shutterstock.com

什么是沥青？
沥青是一种通过蒸馏原油而产生的材料。它经常被用于建筑，特别是道路、高速公路和人行道。

沥青材料表现出显著的耐水性和粘合性。蒸馏过程将较重的沥青与原油中较轻的成分分离，如汽油和柴油。

在古代湖泊的底部也可以发现天然的沥青矿藏，那里以前存在着腐烂、受热和压缩的史前物种。

沥青含有钙、铁、硫、氧和复杂的碳氢化合物。所用原油的类型和来源决定了材料的质量和制造的简单性。

在重大的重量下，沥青会永久变形，如果材料持续处于压力之下，可能会出现裂缝。它们也可能因为氧化而变得很脆。

沥青混合物的成分和温度影响其形状。了解沥青的结构和动态是有效使用它们的关键。

沥青的测试方法
材料科学的一些尖端测试方法已被应用于沥青，以提高我们对其特征的理解。

一些显微镜方法有助于检查沥青材料的形态学特性。一个非详尽的清单包括。

荧光显微镜
扫描电子显微镜
偏振光显微镜
由于技术上的限制，使用上述技术在纳米尺度上观察重要的沥青特性仍然是一个挑战。

原子力显微镜（AFM）的发展为克服这些技术限制提供了一个强有力的工具。AFM是一种快速的表面成像技术，能够以纳米级的分辨率观察和研究材料的二维和三维拓扑结构。

什么是原子力显微镜？
在整个仪器历史上，显微镜随着技术的进步而迅速发展，将科学研究和材料创造推向了更高的细节水平。

扫描隧道显微镜（STM）是观察材料表面特性的一种有价值的方法，由Binning和Rohrer在1981年创建。然而，STM样品需要导电，这限制了其应用。

第一台AFM仪器是由Binning等人创建的。在这个复杂的表面成像技术中，探针和试样之间的作用力被利用，建立在STM的基础上，用于研究纳米尺度的材料表面的特性。

 AFM的示意图

图1：AFM的示意图。图片来源：Ilamaran Sivarajah

传统的原子力显微镜通常包括一个探针、激光器、悬臂、电驱动扫描器和光电探测器（见图1）。

在扫描过程中，压电陶瓷管（PZT）控制着探针在X、Y和Z方向的运动。当样品在x和y方向上被扫描时，样品的表面起伏导致探针相对于样品的位置移动。

激光强度的差异被检测器检测到，在激光束瞄准悬臂的后部并反射到光电探测器后，它与悬臂的变形成正比。

为了产生表面形貌和相位图，反馈机制根据检测器信号之间的差异，不断修改针尖和样品之间的距离。

AFM扫描方法
标准AFM有三种操作模式：接触模式、攻丝模式和非接触模式。因为它们对外界变量很敏感，所以沥青很少被用于接触或非接触模式。相比之下，攻丝模式涉及到针尖间歇性地敲击样品表面来成像。

在扫描中，悬臂以接近共振频率的振幅振荡，使尖端周期性地接触样品。当悬臂的尖端不与表面接触时，它以相对显著的振幅振动。然而，当尖端从表面缩回时，振幅就会减弱。

用于沥青分析的原子力显微镜的变化
为解决不同的应用问题，AFM的变体已经被不断开发。这些创新涉及到AFM的许多方面，包括检测器机制、探针材料、样品制备和装载方法。一些AFM的创新被认为是与沥青分析更匹配的。

由Alexandre Dazzi博士领导的一个科学小组制作了AFM-IR。这种混合技术巧妙地结合了原子力显微镜在纳米级观察物体的能力和红外光谱分析化学成分等的能力。它可以在纳米尺度上拍摄样品的宽波段点状光谱和窄波段官能团分布图的快照。

这项尖端技术利用光热诱导共振来提高红外光谱的空间分辨率，使其超过光学衍射极限。

峰值力攻丝模式是布鲁克公司在2011年宣布的一种独特的基于AFM的成像技术。扫描管的运动在探针和样品之间保持了一致的峰值力，这反映了表面形貌图。由于与其他操作方法相比，其成像力不大，峰值力攻丝模式最适合于柔软和粘性材料。

AFM地图的质量与样品制备的口径直接相关。值得注意的是，准备好的样品的表面必须足够光滑。选择合适的AFM探针是制作高质量地图的关键。

AFM在沥青中的应用
对沥青的研究已经广泛地利用了先进的AFM技术来确定关键特性。从沥青的AFM图像中获得的深入信息包括。

沥青和集料之间的湿气破坏和粘附力
沥青和矿物集料之间的界面
由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性的沥青结构
由碎屑橡胶改性的沥青结构
温拌沥青
沥青老化
老化沥青性能的恢复
新的和老化的沥青之间的混合
沥青的损坏和自我修复机制
使用原子力显微镜观察沥青材料的未来
AFM提供了一个尖端的科学工具来评估沥青在纳米级的形态、机械和化学特性。

这种技术可以帮助研究人员更多地了解宏观的性能机制，如沥青老化、水损害和上述的其他性能。

虽然探索相动力学的较新测试方法将提高对沥青的洞察力，但AFM已经提供了大量关于沥青构成和结构的信息。

参考资料

M. Zhang, P. Hao, S. Dong, Y. Li, G. Yuan. (2020) Asphalt binder micro-characterization and testing approaches: A review. Measurement. 151, 107255, https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.107255

Chengwei Xing, Wei Jiang, Mingchen Li, Ming Wang, Jingjing Xiao, Zhoucong Xu. (2022) Application of atomic force microscopy in bitumen materials at the nanoscale: A review. Construction and Building Materials, Volume 342, Part B, 128059, ISSN 0950-0618, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.128059.

Sivarajah, I. (2021) Atomic Force Microscopy: General Principles and Applications. [Online] AZoOptics.com. Available at: https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=2083

Written by

Ilamaran Sivarajah