Les mesures de forces de surface donnent un accès expérimental direct aux forces agissant entre les surfaces et les molécules. L’appareil à forces de surface (SFA) a été développé par Israelachvili et Tabor et mesure la force entre deux surfaces moléculairement lisses en fonction de la séparation avec une résolution angstrôm. Il a été fondamental pour établir la théorie DLVO de la stabilité colloïdale et comprendre les interactions intermoléculaires.
Le SFA utilise deux cylindres croisés de mica atomiquement lisse. La distance de séparation est mesurée par interférométrie à faisceaux multiples utilisant des franges d’ordre chromatique égal. La lumière blanche traversant les surfaces de mica produit des franges d’interférence dont les longueurs d’onde dépendent de la séparation et de l’indice de réfraction du milieu entre les surfaces. La force est déterminée à partir de la déflexion d’un ressort à double cantilever supportant la surface inférieure.
Les forces de van der Waals sont toujours présentes entre les surfaces dans le vide et dans les milieux. La constante de Hamaker décrit l’ampleur des interactions de van der Waals. Dans les liquides, la force de van der Waals peut être répulsive lorsque les propriétés diélectriques du milieu sont intermédiaires entre celles des surfaces.
Les forces électrostatiques de double couche proviennent de surfaces chargées dans des solutions électrolytiques. La charge de surface est neutralisée par des contre-ions formant une couche diffuse. Le chevauchement des couches diffuses lorsque les surfaces s’approchent produit une répulsion dans les systèmes aqueux. La longueur de Debye caractérise la portée des forces électrostatiques et dépend de la force ionique.
La théorie DLVO combine l’attraction de van der Waals et la répulsion électrostatique pour expliquer la stabilité colloïdale. Le minimum primaire à proximité immédiate conduit à une agrégation irréversible, tandis que le minimum secondaire à plus grande séparation peut produire une floculation réversible. Les règles de Schulze-Hardy décrivent l’effet de la valence de l’électrolyte sur la concentration critique de coagulation.
Au-delà des forces DLVO, des interactions supplémentaires sont mesurées dans des systèmes spécifiques. Les forces d’hydratation proviennent de la structuration de l’eau près des surfaces hydrophiles. Les interactions hydrophobes entraînent l’attraction entre les surfaces non polaires dans l’eau et sont impliquées dans le repliement des protéines. Les forces stériques provenant de polymères adsorbés et de biomolécules fournissent une stabilisation. Les forces de pontage se produisent lorsque des polymères s’adsorbent sur les deux surfaces.
Le microscope à force atomique mesure également les forces de surface incluant l’adhésion, le frottement et les interactions à molécule unique. La spectroscopie de force avec des pointes fonctionnalisées mesure les interactions ligand-récepteur spécifiques avec une sensibilité au piconewton.
