Măsurarea forţelor de interacţiune prin intermediul microscopiei de forţă atomică. Proprietăţi mecanice locale Drd. Stoica Iuliana

Analiza curbelor de forţă: Analiza curbelor de forţă: Conversia curbelor de forţă şi problema distanţei de zero Tehnicile microscopiei de forţă atomică Rezultatul direct al măsurării forţei este reprezentarea curentului fotodiodei IPSD în funcţie de poziţia elementului piezoelectric Zp. Pentru obţinerea curbelor forţei în funcţie de distanţă, IPSD şi Zp trebuie să fie convertite în forţă şi distanţă. Pentru diferite tipuri de curbe de forţă se pot determina doi parametri utilizaţi pentru interpretarea lor: distanţa zero – partea liniară a “regimului de contact” din curba de forţă sensibilitatea – panta acestei regiuni

Analiza curbelor de forţă: Analiza curbelor de forţă: Conversia curbelor de forţă şi problema distanţei de zero (a) Materiale foarte dure, fără forţe superficiale (b) Materiale foarte dure, dar cu repulsii la mare distanţă

Analiza curbelor de forţă: Analiza curbelor de forţă: Conversia curbelor de forţă şi problema distanţei de zero (c) Materiale deformabile, fără forţe superficiale. (d) Materiale deformabile cu forţă de atracţie şi adeziune

Analiza curbelor de forţă: Diferenţa dintre apropierea vârfului de probă şi retragerea lui ulterioară Forţele de adeziune în microscopia de forţă atomică Forţele de extracţie obţinute din măsurătorile forţă – deplasare pot fi legate de lucrul mecanic de adeziune şi energiile libere superficiale corespunzătoare legea lui Hooke R → raza sferei W12 → lucrul mecanic de adeziune γ 1 → energia liberă a vârfului γ 2 → energia liberă a probei γ12 → energia liberă interfacială F → forţa Δz → devierea cantileverului k → constanta de elasticitate

Forţele de adeziune în microscopia de forţă atomică Fad – forţa de adeziune Fel – forţa electrostatică FvdW – forţa van der Waals Fcap – forţa capilară Fchem – forţele datorate legăturilor chimice sau interacţiunilor acid-bază

Legile interacţiunii van der Waals pentru cele mai utilizate geometrii AFM pe unitatea de arie Două suprafeţe netede Două sfere Sferă – suprafaţă netedă Con – suprafaţă netedă Paraboloid – suprafaţă netedă AH – constanta Hamaker D – distanţa R – raza sferei sau a cilindrului θ – semi-apertura conului l – semi-axa paraboloidului Cilindru – suprafaţă netdă

Influenţa rugozităţii (suprafeţei de investigat sau a sondei de scanare) asupra forţelor de adeziune R – raza particulei r – raza asperităţii AH – constanta Hamaker D0 – distanţa minimă dintre sferă şi asperitate (spaţiul interatomic) rms – rogozitatea a – raza de contact (calculată folosind unul din modelele mecanicii de contact) x – distanţa dintre asperităţi

Măsurarea forţei de interacţiune dintre o microsferă solidă şi o picătură de lichid nemiscibil sau o bulă din mediul acvatic Fcap – forţa capilară R – raza particulei γ – tensiunea superficială a lichidului α – unghiul de imersare θr – unghiul de contact de revenire a lichidului pe sferă Pentru Fcap= 0 rezultă α = θr Dr – adâncimea imersiei particulei în bulă Fdet – forţa de detaşare a particulei de pe bulă θa – unghiul de contact de înaintare a lichidului pe sferă

Spectroscopia de forţă atomică pentru o singură moleculă Spectroscopia de forţă atomică pentru o singură moleculă Elasticitatea lanţurilor polimerice Spectroscopia de forţă pentru o singură moleculă permite măsurarea elasticităţii lanţurilor polimerice prin apropierea bazată pe microscopia de forţă atomică alungirea moleculelor individuale prinse la un capăt de cantilever şi observarea forţei rezistive ca o funcţie de elongaţie indicarea deformării în polimer a unei suprastructuri

Măsurătorile de amprentare în microscopia de forţă atomică → Măsurătorile forţei de amprentare utilizează partea de apăsare din curba forţă – deplasare → probele flexibile→ panta este mai mică ca 1→ poate fi folosită pentru obţinerea modulului de elasticitate al probei → suprafeţe neflexibile → vârful nu amprentează semnificativ proba → curba obţinută din reprezentarea devierii vârfului în funcţie de poziţia elementului piezo, în regiunea de contact, prezintă panta 1 Curbele forţă-deplasare măsurate pe polibutadienă înainte şi după reticulare

Litografii – Staniu

Litografii – Poliimide

Litografii – Poliimide

Forţe laterale FL → forţa de frecare VL → valoarea torsiunii, exprimată în volţi SL → constanta laterală a fotodetectorului KL → constanta de elasticitate a cantileverului H → diametrul particulei coloidale