原子力显微镜（atomic force microscope, AFM）利用原子之间的作用力作为被探测的物理量，来表征样品的表面形貌。原子力的大小与针尖顶端的原子到材料表面的距离有关。如果能够测量出针尖受到的来自于材料表面原子的作用力，就能够计算出针尖到材料表面的距离，从而可以表征材料的表面形貌。原子力显微镜中用于测量的探针由微悬臂与针尖构成。当针尖足够尖时，针尖顶端原子和样品表面原子的相互作用就会十分灵敏。原子力的大小主要由微悬臂的形变程度来反映。通过激光照射微悬臂，当微悬臂因原子力的改变而发生形变时，激光就会发生明显偏转。这一偏转利用激光接收装置接收并记录下来，转化为数字信息，最后利用计算机进行处理，就能得到样品表面形貌的图像。图1为原子力显微镜的结构简图。

图1原子力显微镜系统框图

实验设计两种类肽化合物Pepb和Pepc，其链的两侧交替排列亲水的羧基和疏水的4-氯苯乙基，Pepc还在链的一端增加了一额外的疏水基团。这两种类肽化合物在氯化钙水溶液中，由于化合物中的羧基是在中性条件下是去质子化的，这样Ca2+就可以通过与羧酸根的相互作用桥连2层类肽化合物，从而在云母片表面发生自组装结晶现象，形成三维有序多孔网状结构。如图2所示，用AFM对类肽化合物Pepb和Pepc自组装形成三维多孔网状结构的过程进行原位表征，研究样品表面形貌随自组装时间的变化。

图2两种不同结构的类肽化合物的自组装结晶过程

图中，a-e为Pepc的结晶过程，f-j为Pepb的结晶过程：a和f分别为Pepc和Pepb自组装两天后形成的三维孔结构的AFM图(垂直比例尺为67.5nm)；(b-e)展示了0.1mmol/L Pepc在10mmol/L CaCl2溶液中经过(b)24.2，(c)32.3，(d)50.1，(e)275.1min的自组装样貌；(g-j)展示了0.1mmol/L Pepb在10mmol/L CaCl2溶液中经过(g)4.3，(h)17.2，(i)69.1，(j)111.2min的自组装形貌；（为了更好地观察样品的结晶情况，图片均被分为左右2个部分：b-d中，左边一半的垂直比例尺为12nm，右边一半的垂直比例尺为0.8nm；g-i中，左边一半的垂直比例尺为12nm，右边一半的垂直比例尺为4nm；其他图片均为50nm）。

从AFM表征图中可以看出，自组装2天后，类肽化合物Pepb和Pepc在云母片表面形成了三维多孔网状结构（图5 a，f），验证了这类化合物在在氯化钙水溶液中的自组装。溶液中加入类肽化合物Pepc以后，由于其双亲性质，Pepc单体会聚合形成分子簇和小的分子胶束，分子胶束无序地沉积到云母表面，然后分子簇会以一定的速率在胶束表面按照一定的构象进行沉积，形成直立的Pepc多孔晶体纳米片（图5 g-j）。但是，溶液中分子筛最终也会直接形成小晶体，降低了多孔晶体纳米片的生长速率。而对于Pepb，其单体在溶液中很容易形成小晶体，这样，Pepb沉积速率随着云母表面的覆盖率升高而下降（图5b-e）。对图5中左右2列图片进行对比，可以很明显地看出2者的差异，说明引入额外的疏水基团可以改变类肽化合物的结晶动力学。

此外，由于原子力显微镜纵向分辨率达到0.1nm，并且不同于白光干涉仪横向分辨率低的特点，其横向分辨率也达到1~10nm，因此，原子力显微镜能够清晰地反映出超光滑表面的微观形貌以及相同量级的表面疵病。如图3所示即为超光滑表面的划痕AFM测量图。

图3 AFM测量超光滑表面疵病的结果图

来自《扫描探针显微技术及其应用》

Ma X，Zhang S，Jiao F，et al. Nature Material，2017，16