หลักการทำงานของโหมด Force Distance Spectroscopy (F–D Spectroscopy) ในกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM)
Force Distance Spectroscopy (F–D Spectroscopy) หรือเรียกสั้น ๆ ว่า Force Curve Measurement เป็นโหมดการวัดสำคัญของ Atomic Force Microscopy (AFM) ที่ใช้ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างปลายหัววัด (tip) และพื้นผิวตัวอย่าง (sample) ในระดับนาโนเมตร โดยการบันทึกความสัมพันธ์ระหว่าง “แรง (Force)” และ “ระยะทาง (Distance)” ระหว่างหัววัดกับตัวอย่างอย่างละเอียด
เทคนิคนี้ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับแรงระหว่างโมเลกุล (intermolecular forces), แรงยึดเกาะ (adhesion), ความแข็งผิว (stiffness), ความยืดหยุ่น (elasticity), และคุณสมบัติทางกล–ทางเคมีของวัสดุในระดับอะตอม
หลักการทำงานของ Force Distance Spectroscopy
โหมดนี้ทำงานโดยการเคลื่อนที่ของ cantilever เข้า–ออกจากพื้นผิวของตัวอย่างในทิศทางแกน Z ภายใต้การควบคุมอย่างละเอียด พร้อมทั้งบันทึกการโก่งตัว (deflection) ของ cantilever ตลอดกระบวนการ เพื่อสร้างกราฟแรง–ระยะทาง (Force–Distance Curve) ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็น 3 ช่วงหลักได้ดังนี้
Approach Phase (ช่วงเข้าใกล้)
เมื่อปลายหัววัดค่อย ๆ เคลื่อนเข้าใกล้พื้นผิว จะเริ่มเกิดแรงดึงดูดระหว่างหัววัดและตัวอย่าง เช่น แรงแวนเดอร์วาลส์ (van der Waals) หรือแรงไฟฟ้าสถิต (electrostatic force) เมื่อระยะใกล้มากขึ้น หัววัดจะสัมผัสกับพื้นผิวและแรงผลัก (repulsive force) จะเริ่มมีอิทธิพล
Contact Phase (ช่วงสัมผัส)
หัววัดกดลงบนพื้นผิวภายใต้แรงควบคุม ทำให้ cantilever โก่งตัวขึ้น แรงที่วัดได้ในช่วงนี้สะท้อนถึงความแข็งและการเสียรูปของวัสดุ สามารถใช้วิเคราะห์คุณสมบัติทางกลเชิงปริมาณ เช่น Young’s Modulus ผ่านแบบจำลองทางกล เช่น Hertz Model หรือ Sneddon Model
Retraction Phase (ช่วงถอนหัววัด)
เมื่อหัววัดค่อย ๆ ถอนออกจากพื้นผิว จะเกิดแรงยึดเกาะ (adhesion) ระหว่างปลายหัววัดและตัวอย่าง ซึ่งแรงนี้มักเกิดจากแรงเคมีพื้นผิว แรงแวนเดอร์วาลส์ หรือแรงของเหลวบาง ๆ ที่เคลือบอยู่บนผิว (meniscus force) จุดที่แรงยึดเกาะหายไปคือจุดที่หัววัดหลุดจากผิวอย่างสมบูรณ์
ข้อมูลที่ได้จาก Force–Distance Curve
จากกราฟแรง–ระยะทาง สามารถวิเคราะห์ได้หลายพารามิเตอร์ ได้แก่
Adhesion Force: ขนาดของแรงยึดเกาะระหว่างหัววัดและพื้นผิว
Elastic Modulus / Stiffness: ค่าความยืดหยุ่นและความแข็งของวัสดุ
Snap-in / Snap-off Distance: จุดที่แรงดึงดูดเริ่มและหยุดทำงาน
Viscoelastic Behavior: การตอบสนองของวัสดุที่ขึ้นกับเวลา เช่น พอลิเมอร์หรือไบโอเมมเบรน
Energy Dissipation: พลังงานที่สูญเสียระหว่างการสัมผัสและถอนหัววัด
ข้อดีของ Force Distance Spectroscopy
วัดแรงในระดับนาโนนิวตัน (nN) ได้อย่างแม่นยำ
ใช้ศึกษาปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์และเคมีพื้นผิว เช่น การยึดเกาะ การดูดซับ หรือแรงไฟฟ้าสถิต
สามารถใช้ร่วมกับการทำงานในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ ได้ เช่น อากาศ, ของเหลว, หรือสุญญากาศ
เป็นเทคนิคพื้นฐานในการต่อยอดไปยังโหมดขั้นสูงของ AFM เช่น Force Mapping, PinPoint Nanomechanical Mode, และ Single-Molecule Force Spectroscopy
การประยุกต์ใช้งาน
เทคนิค Force Distance Spectroscopy ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในหลายสาขา เช่น
การวัดแรงยึดเกาะของพื้นผิวในงานเคลือบวัสดุหรือไมโครอิเล็กทรอนิกส์
การศึกษาสมบัติเชิงกลของ polymer, hydrogel, และ biological cells
การวัดแรงระหว่างโมเลกุลเดี่ยวในงานวิจัยด้านชีวเคมี (single-molecule interaction)
การวิเคราะห์แรงไฟฟ้าสถิตและแรงแม่เหล็กในวัสดุเชิงฟังก์ชัน
Force Distance Spectroscopy เป็นหนึ่งในโหมดพื้นฐานที่ทรงพลังของ AFM ซึ่งเปิดโอกาสให้นักวิจัยสามารถ “มองเห็นและวัดแรงในระดับนาโน” ได้โดยตรง ไม่เพียงให้ข้อมูลทางกลเท่านั้น แต่ยังเผยให้เห็นแรงทางเคมีและฟิสิกส์พื้นผิวที่ซ่อนอยู่ ทำให้เทคนิคนี้เป็นพื้นฐานสำคัญของการวิเคราะห์วัสดุและชีวภาพในระดับอะตอมและนาโนเมตรอย่างแท้จริง