背景

盡管我們在宏觀長度尺度上感知地質過程，但地質結構的力學行為可能會受到巖石微觀礦物結構以及接觸礦物表面微觀尺度相互作用的顯著影響。礦物顆粒之間的微觀和納米級空間通常含有流體和水，它們可以反應性地侵蝕或沉積材料，例如通過促進結晶過程。總體而言，這些反應性溶解和生長過程可能會產(chǎn)生鞏固或不穩(wěn)定的影響。這些可以進一步以宏觀的、可觀察的隨時間的變化來表達。更好地理解這些過程對于預測地質結構的行為非常重要，無論是自然發(fā)展還是人類影響，例如。

Joanna Dziadkowiec 和 Anja R?yne 在奧斯陸大學 Njord 中心進行了研究，試圖了解當?shù)V物表面被推在一起并受到液體和水的影響時，礦物表面接觸時會發(fā)生什么。隨著時間的推移，溶液和壓力引起的表面結構變化會改變反應性接觸表面彼此相互作用的方式。這反過來又影響粒狀巖石的整體力學行為。在他們的實驗中，研究人員使用了表面力裝置(SFA)，這是一種測量裝置，可以確定兩個固體表面之間的相互作用力。與原子力顯微鏡不同，原子力顯微鏡在納米尺度上逐點探測表面，SFA 技術可對直徑高達 100 μm 的更大接觸面積進行采樣。這個尺度更適合將他們的觀察與地質相關過程聯(lián)系起來。為了完整地表征相互作用動力學，研究人員還測量了表面之間的距離(想象一個彈簧，其中彈簧常數(shù)由所施加的力和距松弛位置的位移來表征)。使用多光束干涉測量法測量表面之間的納米級空間，其中樣品表面位于 2 個由白光源照明的高反射基底之間。發(fā)射的信號被成像到光譜儀的入口狹縫上并被分散以可視化相同色階的條紋(FECO 條紋)。例如，圖 1 顯示了兩個表面的 FECO 條紋與作用在它們之間的范德華力接觸。

FECO 干涉技術使研究人員能夠測量兩個礦物表面之間的距離分布，并檢測改變納米和微米級表面力和分離距離的反應變化。通過觀察干擾圖案隨時間的變化，研究人員能夠研究液體存在時的反應變化。圖 2 顯示了如何通過兩個靠近的表面之間存在的毛細管水橋來修改干涉圖案：毛細管橋由圖案中的不連續(xù)性指示，并且一旦注入水就會消失。

圖 1： 影片顯示了表面力裝置中兩個云母表面之間作用的吸引范德華力的 FECO。表面慢慢接觸。突然跳入平面接觸對應于表面之間的吸引力。

圖 2： 在潮濕空氣中親水表面和金之間形成毛細管橋。平坦區(qū)域是表面之間的接觸區(qū)域。FECO 的平坦區(qū)域和彎曲部分之間的不連續(xù)性表明接觸區(qū)域與其外部的折射率存在差異(表面之間存在毛細管水橋，接觸區(qū)域外部存在空氣。)表面之間的水，毛細管橋消失，F(xiàn)ECO 邊緣的不連續(xù)性消失了。

挑戰(zhàn)

SFA中用于多光束FECO干涉的光譜系統(tǒng)需要較高的光譜精度和分辨率以及良好的成像能力。礦物樣品表面輪廓的變化可能在納米范圍內(nèi)，因此需要納米或亞納米范圍內(nèi)的光譜分辨率來準確確定條紋位置。

通過將信號沿著光譜儀的入口狹縫分散到系統(tǒng)相機上的高光譜干涉圖像中來觀察干涉圖案，其中與波長相對應的水平位置和垂直位置可以映射到相對較大的樣本區(qū)域內(nèi)的不同點出于興趣。光譜儀良好的成像質量確保相機上所有點的信號不失真。針對單光譜通道檢測進行優(yōu)化的光譜儀通常會在焦平面中心之外顯示出嚴重的圖像像差，從而導致失真、信號減弱和測量精度損失。“IsoPlane 系統(tǒng)的低像差使我們能夠對 2D 光譜干涉圖樣進行非常精確的測量。與 LightField 和 Intellical 相結合，該系統(tǒng)可以非常有效地設置具有挑戰(zhàn)性的科學測量，例如限制中的活性礦物表面的成像”

解決方案

Njord 中心的多光束干涉裝置使用IsoPlane-SCT320 攝譜儀和PIXIS-2KBUV相機對 FECO 條紋進行高光譜檢測。

IsoPlane 是一款先進的成像光譜儀，具有像差校正光學器件，可顯著減少圖像像差，例如可能扭曲光譜圖像的像散。由于信號光更好地聚焦到相機上，焦平面任何點的良好圖像質量也提高了分辨率。IsoPlane 非常適合需要高光譜和空間分辨率的多通道和高光譜測量。

PIXIS-2KBUV 具有大型 2048×512 像素傳感器，覆蓋焦平面的廣闊區(qū)域，因此可以同時測量更廣泛的樣品位置輪廓。PIXIS 是一款深冷科學相機，噪聲極低，針對精確的定量信號檢測進行了優(yōu)化。

由于研究人員經(jīng)常在不同的光譜范圍內(nèi)工作，他們還使用稱為Intellical 的自動化系統(tǒng)進行精確的波長校準。該系統(tǒng)由 Princeton Instruments LightField 軟件控制，確保可以快速完成光譜校準，且精度非常高(比其他常見校準方法高出 10 倍)。

研究人員還必須長時間監(jiān)測樣品表面之間的相互作用，以便能夠檢測反應變化。使用LightField中的延時功能，可以輕松地將實驗設置為以任意時間間隔自動長時間采集圖像，因此可以考慮表面演化的速度來優(yōu)化采集。

審核編輯 黃宇