三维原子力显微镜（3D AFM）是目前唯一能够以原子/分子级空间分辨率对固液界面处液体结构进行三维实空间成像的实验方法。3D AFM 已被用于表征晶体表面和软生物分子上的水及水溶液结构；同时，也被用于研究有机溶剂和离子液体在各种固体表面（包括电池电极）上的界面溶剂化结构。
3D AFM技术与理论
三维原子力显微镜（3D-AFM）是一种基于力学信号检测的方法，用于生成固-液界面的三维图像。为此，探针针尖会相对固体表面在三个空间坐标轴上进行位移，这需要对三个空间位移进行精确同步。在垂直位移过程中，系统会记录针尖所受的力 F，从而生成三维力图。为了更直观地观察固体表面（如石墨）上方的液体结构，图像被切分为不同的二维 F(x, z) 剖面图。这些图显示出明暗交替的条纹序列，从而揭示了液体的分子分层状结构。
在三维原子力显微镜（3D AFM）中，为实现针尖位移与力检测，研究人员已开发出多种方法。最简单的方法是使 3D AFM 工作在准静态模式下，即在不同的 xy 位置采集多条力-距离曲线。另一种方法是使显微镜在动态模式下工作。动态 AFM 模式更复杂，但能提供更高的空间分辨率和更短的采集时间。具体而言，在采用振幅调制模式的 3D AFM 中，外加电压驱动针尖在其共振频率下振动，同时针尖在液体中发生位移。针尖通过在不同 y 位置分别采集一个 xz 平面来探测固液界面（如图 1a 所示），这些平面组合起来即可生成界面处力的三维图。
要在固液界面生成原子级分辨率的力场图，必须满足几个关键条件。其中，针尖的振荡振幅必须小于待测水合层的厚度，典型值在几十皮米左右。对于低摩尔浓度的水溶液以及不带电的针尖，界面力可能与溶剂密度的原子级变化有关。在描述针尖与液体相互作用的最简单模型——溶剂-针尖近似模型中，针尖被视为单个溶剂分子（即水分子）（如图 1b 所示），作用于针尖上的力 F(z) 可用以下公式描述：
其中，z、kB、T 和 ρ 分别表示探针的垂直位置（或探针到固体表面的垂直距离）、玻尔兹曼常数、绝对温度和水密度。该方程能够将分子动力学（MD）模拟得到的水密度图转换为力图，从而可以与实验力图进行对比。
图 1：(a) 3D AFM 中探针运动示意图。该三维图像通过在 xy 平面上扫描探针针尖，同时调制针尖与表面之间的距离 z 而获得。(b) AFM 针尖-水界面示意图。
云母与石墨表面的溶剂化层
图 2 展示了云母-水界面和石墨-己烷界面的二维力图 F(x, z)（上图）以及对应的力-距离曲线（下图）。这些二维力图是从类似于首图所示的三维体积图像中提取出来的。二维力图显示出高低交替的力值（即明暗交替的条纹）。这些条纹与一种振荡行为相关：在针尖接触到固体表面之前，力值在吸引力和排斥力之间交替变化（见下方的曲线图）。分子动力学（MD）模拟和理论计算表明，在力-距离曲线中观察到的峰值与液体密度的峰值相关。尽管相对于固体表面测得的力峰值位置与液体密度的极大值位置（模拟结果）并不重合，但通过极大值之间的间距测得的层间距离是相同的。对于云母-水界面，层间距离在 0.28 至 0.32 nm 之间变化（图 2a）。这些值与水分子的标称直径（≈0.28 nm）相当。因此，这种振荡与水合层的存在有关。对于浸入己烷中的石墨表面所形成的界面，层间距离在 0.43 至 0.47 nm 之间变化（图 2b）。这些值非常接近己烷分子的标称直径（≈0.44 nm）。溶剂化层的无序度随着与固体表面距离的增加而增大，因此第二层间距大于第一层间距。
图 2：(a) 云母-水界面的二维力图 F(x, z)（上图）及对应的力-距离曲线（下图）。(b) 石墨-己烷界面的二维力图 F(x, z)（上图）及对应的力-距离曲线（下图）。
胶原蛋白纳米带上的水合层
3D AFM 探测界面水的能力并不局限于原子级平整的晶体表面。它还被应用于成像纳米级高度变化表面上的水合层形成。图 3 展示了浸入水溶液中的胶原蛋白纳米带的 3D AFM 图像。界面水覆盖了整个纳米带。为了更直观地观察，三维体积图像被划分为两个区域：胶原蛋白（棕色）和界面水（蓝色）。该图像展示了水合层结构是如何随着蛋白质微观形貌的变化而变化的。
图 3 展示了浸入水溶液中的胶原蛋白纳米带的 3D AFM 图像，蓝色为界面水，棕色/橙色为胶原蛋白，且图像经过分区以直观展示水合层随形貌的变化。
总结
三维原子力显微镜（3D AFM）是目前唯一一种能够以原子/分子级空间分辨率对固液界面处液体结构进行三维实空间成像的技术。我们通过展示三种不同条件下的固液界面处液体结构图像，展示了该技术的能力。首先，云母表面的界面水结构具有明显的层状特征，层间距约为 0.3 nm（即水合层）。其次，石墨表面上的有机液体（己烷）溶剂化结构显示出多达 3 层的分层，层间距约等于己烷分子的直径（0.44 nm）。第三，胶原蛋白表面的界面水结构同样显示出水合层的存在。这些图像还展示了 3D AFM 在非平整表面上追踪水合层轮廓的能力。
