Hidden Information in Force Curves: Transient- and Brownian-Driven Dynamics
通过利用高带宽干涉检测来分析力曲线中的瞬态及布朗驱动动力学，本研究揭示了一种此前被忽视的机械对比度通道，该通道能够在无需外部激发或多通成像的情况下，实现逐像素的刚度制图以及对非马尔可夫针尖-样品相互作用的时间解析研究。
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几十年来，科学家们一直使用一种被称为原子力显微镜的工具来感知微观世界的表面，其尺度之小，肉眼根本无法察觉。想象一个末端带有针尖状细尖的微型、柔性跳板，它被缓缓降下，直到几乎刚刚触碰到某种材料。随着显微镜带动样品上下移动，针尖会发生弯曲，而这种弯曲能告诉研究人员材料回弹的力量有多大。这种简单的运动被记录为图表上的一条线，一直是测量纳米级硬度、粘性和纹理的标准方法。然而，四十年来，科学家们一直将那根针尖产生的微小、快速的抖动视为单纯的背景噪声。他们利用滤波器将这些抖动平滑掉，认为只有针尖缓慢、稳定的弯曲才具有意义。这种方法足以绘制出表面平均特性的图谱，但也意味着忽略了在一次测量与下一次测量之间瞬间发生的隐藏信息层。
一支研究团队现在决定去“倾听”那份噪声。通过使用一种能够捕捉到比单个原子运动还要微小的超灵敏激光检测器，他们捕捉到了针尖运动完整且未经处理的全过程。他们没有对快速振动进行平滑处理，而是保留了它们，从而揭示出针尖不仅仅是在弯曲，当它撞击表面或脱离表面时，还会像钟一样发出鸣响。这些转瞬即逝的鸣响并非随机的静电噪声。它们是接触点物理变化的直接反应，例如微小液桥的突然形成，或是材料脱离时的断裂。通过分析这些稍纵即逝的时刻，研究人员发现他们可以区分不同的材料，甚至观察能量如何在其中传递，而无需通过摇晃样品或等待平均值的形成。
这项研究聚焦于两种常见塑料的混合物：聚苯乙烯和聚己内酯，它们看起来很相似，但机械性能却各不相同。当显微镜针尖在这些材料上移动时，研究人员将这种相互作用分解为五个截然不同的阶段：接近表面、撞击接触、向下按压、拉离表面以及最后的恢复。在针尖触碰塑料前的宁静时刻，针尖的微小振动是由环境的自然热量驱动的，这是一种被称为布朗运动的持续且温和的轻微颤动。这种颤动是稳定且可预测的，充当了一个基准。但就在针尖与表面发生相互作用的那一刻，故事发生了变化。当针尖首先撞击接触并与表面形成一个微小的液桥时，它接收到了一个突发的能量冲击。这导致它的振动比仅由热量引起的振动要剧烈得多。
研究人员发现，这种额外的能量并非随机产生的。它完全取决于材料。当针尖撞击较硬的塑料时，其振动模式与撞击较软的塑料时不同。通过实时测量这些振动的速度和幅度，他们可以绘制出比以往方法更详细的材料硬度图谱。他们发现，针尖在按压过程中的振动方式是衡量材料硬度的直接指标。这使他们能够以极高的清晰度观察两种塑料之间的边界，无需对同一位置进行多次扫描即可实现像素级的区分。
或许最令人惊讶的发现是，针尖在接近表面与拉离表面时的表现并不相同。尽管针尖处于同一个物理空间，但其运动的历史背景至关重要。当针尖从表面拉开、打破微小的液桥时，它释放了储存的能量，从而引发了最后一次尖锐的鸣响。这次鸣响比温和的接近过程要更加响亮且更具能量。研究人员证明，这种差异并非误差，而是这些材料相互作用的一个基本特征。形成液桥的过程与打破液桥的过程并不是镜像关系；它们是截然不同的事件，会在针尖的运动中留下不同的指纹。
这项工作挑战了长期以来认为测量中的快速振动只是应被丢弃的噪声的观点。研究人员证明，这些瞬态包含了关于材料在特定时刻状态的特定且可测量的信息。他们表明，通过观察单个事件而非对其进行平均，可以捕捉到那些原本会丢失的细节。例如，液桥的突然断裂或聚合物链拉伸的具体方式，都能在针尖的运动中被观察到。这种方法允许科学家观察那些仅发生一次或变化过快以至于传统方法无法捕捉的过程。
该团队还将这种新方法与旧有的计算硬度的方法进行了对比。传统方法依赖于针尖缓慢、稳定的弯曲，并假设材料的行为是简单且可预测的。而通过“倾听”鸣响的新方法则显示，材料的行为更为复杂。通过鸣响测得的硬度与包含针尖与表面之间粘附力的模型吻合得更好，这表明旧的、更简单的模型忽略了画面中至关重要的一部分。研究人员并未声称已经解决了该领域的每一个问题，但他们展示了隐藏的信号是真实存在的、可测量的，并且蕴含着丰富的数据。
通过将针尖的运动视为一场动态的对话而非静态的记录，这项研究为人类开启了一扇观察纳米世界的新窗口。它表明，材料对突然触碰或快速拉扯的反应，与它对缓慢按压的抵抗力一样，蕴含着同等多的信息。观察这些瞬态事件的能力意味着，科学家现在可以研究单次的、非重复性的事件，例如单个分子键的断裂，或是材料内部微小畴区的突然转变。这种从“忽略噪声”到“倾听信号”的视角转变，将原子力显微镜从一个只能测量平均值的工具，转变为一个能够见证物理世界中独特且转瞬即逝时刻的观测工具。
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