Raport stiintific  privind implementarea proiectului FUNCTIONALIZAREA CU PLASMA A SONDELOR NANOSCOPICE in perioada 

octombrie, 2011 – octombrie, 2013 

Contrtact CNCSIS, IDEI PN II, Grant no. 267/2011. 

Director: Lucel Sirghi 

1. Hidroxilarea sondelor AFM   In cadrul proiectului s‐a conceput si realizat un reactor cu plasma a carui schema de principiu este data  in Figura 1. Pe scurt, intr‐o camera de otel inoxidabil cu diametrul de 24 cm si inaltimea de 14 cm a fost montat, pe un support ceramic un catod din tantal cu diametrul de 10 cm. Camera este  inchisa ermetic de un clopot de sticla cu inaltimea de 30  cm.  In varianta noua a  instalatiei,  clopotul de  sticla a  fost  inlocuit de o  fereastra  cu acces  rapid. Reactorul este conectat la o pompa de vid uscata, care realizeza in camera acestuia presiunea minima de 0.1 mTorr, si la sursa de gaz de lucru (vapori de apa, aer, sau argon). Presiunea de lucru a fost variata intre 0.2 mTorr si 0.5 Torr. O sursa de current continuu a  fost utilizata pentru a mentine o plasma  in gazul de  lucru  (tensiunea pe descarcare variaza intre 340V si 800 V functie de presiunea si natura gazului) in scopul tratamentului de suprafata a sondelor si specimenelor AFM.  S‐a  folosit  argonul pentru  curatirea  suprafetelor, mentinand  astfel  compozitia  lor  chimica de baza (siliciu sau nitrura de siliciu cu un strat nativ de oxid de siliciu la suprafata). Pentru generarea de grupari hidroxil pe suprafatele tratate s‐a folosit plasma in vapori de apa. Sonde comerciale de nitrura de siliciu au fost supuse timp de 10 minute acțiunii plasmei  in vapori de apă  la presiune de 20Pa  (tensiunea de descarcare 470 V si curentul de descarcare de 3 mA). Tratamentul a dus  la  îndepărtarea stratului de molecule contaminante (hidrocarburi si PDMS din cutiile in care sunt tinute sondele AFM) adsorbite pe suprafata sondelor și a generat grupe hidroxil de suprafață (fapt ilustrat de spectrele XPS prezentate in Figura 2).  

 

 

Figura 1. Hidroxilarea sondelor AFM a fost obținuta prin supunerea lor actiunii plasmei luminii negative a unei descarcari d.c. in vapori de apă la presiune joasa. Sondele AFM au fost montate pe o lamelă de sticlă (2 cm 

× 2 cm × 2 mm) plasata pe suprafața catodului. 

 

 

 

Hidroxilarea suprafetelor sondelor AFM a fost confirmată de analiza spectroscopica de fotoelectroni X (XPS). Figura 2 prezinta pickul O1s  înregistrat pentru materialul de baza al  sondei  (Si3N4),  suprafața  sondei  inainte de  tratament, suprafața  sondei  imediat  după  tratamentul  cu  plasmă,  și  o  săptămână  după  tratamentul  cu  plasmă.  Pentru materialul de baza si suprafața netratata a sondelor AFM s‐a obtinut un pick O1s atribuit legaturilor Si‐O, în timp ce pentru suprafața tratată cu plasmă s‐a obtinut un pick O1s de convolutie atribuit legaturilor Si‐O (la 532,5 eV) și Si‐OH (la 531,8 eV). Deasemenea, Figura 2 arata ca densitatea de  legaturi Si‐OH scade odata cu cresterea  intervalului de timp scurs de la tratamentul cu plasmă. Aceasta inseamna ca in atmosfera de laborator suprafata nu este stabila datorita oxidarii si adsorbtiei de molecule contaminante (in special apa). Din acest motiv, sondele AFM hidroxilate in plasma  s‐au  folosit  imediat dupa  tratament  in masuratori  spectroscopice de  forta atomica.  In  faza urmatoare de dezvoltare  a  proiectului,  hydroxilarea  suprafetelor  sondelor  AFM  va  fi  urmata  imediat  (fara  a  mai  trece  prin 

atmosfera) de procesul de silanizare. Acest lucru se va face imediat ce va fi posibila instalarea reactorului cu plasma in cutia cu manusi (glove box) ce asigura completa izolare a vaporilor toxici utilizati in proces. 

 

 

 

Figura 2. Spectrele XPS ale starii O1s pentru suprafata sondei AFM netratata, materialul de baza (bulk Si3N4), si suprafata sondei AFM tratata in plasma de vapori de apa imediat dupa tratament si o saptamana dupa tratament.  

 

 

2. Masuratori de forta de adeziune dintre sondele AFM hidroxilate si straturi lipidice pe support de mica 

  Sondele AFM hidroxilate astfel  in plasmă au fost utilizate  în măsurători de spectroscopie de forță atomic a 

forței de adeziune dîntre vârfurile lor si straturi lipidice depuse pe mica (SLBs). S‐a arătat că forța de aderență creste 

odata  cu  cresterea  valorilor maxime  ale  forței  de  presiune  pe  contact  și  duratei  contactului.  Aceste  efecte  sunt 

atribuite formarii histeretice de legături de hidrogen între gruparile OH de pe suprafata varfurilor sondei AFM și, cel 

mai  probabil,  gruparile  fosfat  ale  moleculelor  de  fosfatidilcolina  din  componenta  stratului  lipidic.  Acest  studiu 

contribuie  la  ințelegerea  proceselor  chimice  și  fizice  care  influențează  aderența membranelor  celulare  la diverse 

suprafețe artificiale și naturale, lucru important in nanomedicină și ingineria biomaterialelor. Sunt cunoscute diferite 

forțe specifice și non‐specifice care pot contribui  la adeziunea celulară. Microscopie de forta atomica (AFM) este o 

tehnica puternica pentru studiul acestor forțe, deoarece permite masurarea lor directa în mediu fiziologic la nivelul 

unei singure molecule.  In prezentul studiu, s‐a  investigat formarea  legăturii de hidrogen  între un vârf de hidroxilat 

AFM si un bistrat lipidic (SLB) din fosfatidilcolina în soluție apoasă de NaCl (0,1 M), la pH neutru. 

  Pentru prepararea bistraturilor lipidice pe suport de mica, fosfatidilcolina (Sigma Aldrich) cu puritate de 30% 

a  fost dizolvată  în  cloroform pentru a obține o  soluție cu concentrația de  lipide de 25mg/mL. Apoi,  soluția a  fost 

evaporata în vid, in urma acestui proces rămanand o peliculă de lipidide in stare solidă. Aceasta a fost dizolvata într‐o 

soluție de 0,1 M NaCl și HEPES 10mm la pH 7 și agitata cu un agitator vortex pentru a obține o soluție coloidală de 

vezicule  lipidice. Pentru a obține o soluție de vezicule unilamellare, soluția a fost sonicata pentru câteva minute. O 

picătură de soluție de vezicule lipidice (50 microlitri) a fost depusa pe un suport de mică proaspăt clivata (11 mm × 

11 mm) și lăsata aproximativ 20 de minute, în aer liber. Apoi, proba a fost spălata și transferata in celula de lichid a 

sistemului AFM (SOLVER PRO‐M de  la AFM NT‐MDT). Celula de  lichid a fost umpluta cu soluție apoasă de NaCl (0,1 

M),  la  pH  =  7. Masuratorile AFM  (scanari  de  suprafata  si masuratori  de  spectroscopie  de  forță  atomica)  au  fost 

efectuate cu ajutorul sondelor AFM de nitrura de siliciu (NCHV de la Veeco: constanta nominala de forta de 0,01 N/m 

si  varf  piramidal  cu  raza  de  curbura  nominală  de  50  nm).  O  imagine  AFM  a  topografiei  suprafetei  tipice  a 

specimenelor  obtinute  prin  procedura  descrisa mai  sus  este  prezentată  în  Figura  3.  Imaginea  topografica  arata 

prezenta de defecte  (zone neacoperite)  în  stratul bilipidic depus pe mica. Măsurătorile de  spectroscopie de  forță 

atomică au fost efectuate in regiunile compacte complet acoperite de straturile bilipidice. 

  Măsurătorile de spectroscopie cu forță atomica au fost efectuate cu un instrument AFM comercial (NT‐MDT, 

Rusia) controlat de calculator prin programul software dedicat al microscopului. Curbele de forta versus deplasarea 

specimenului au fost achiziționate de  la o viteză de 

extindere  a  scanerului  de  10  µm/s,  1  µm/s  și, 

respectiv,  200  nm/s,  la  diferite  valori maxime  ale 

forței  de  presiune  pe  contact  și  diferite  valori  ale 

timpului  de  contact.  Curbele  de  forta  versus 

deplasare  au  fost  transformate  in  curbe  de  forta 

versus distanta varf‐specimen, așa  cum  se arată  în 

Figurile  4  a  si  b.  Forța  maximă  de  presiune  pe 

contact  folosită  în  experimente  a  fost  aleasă mai 

mică decât forța de penetrare a SLB (Figura 4 b) 

 

Figura 3. Imaginea topografica a stratului bilipidic depus pe suport de mica. Imaginea arata defecte in stratul depus (zone neacoperite ) 

 

 

a)                b) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura  4.  a)  O  curba  tipica  de  forta  versus  distanta  varf‐specimen  indicand modul  de  determinare  a  fortei  de adeziune (pull‐off force) dintre varful hidroxilat al probei AFM si bistratul lipidic. b) O curba de forta versus distanta varf‐specimen ce prezinta fenomenul de penetrare a stratului bilipidic (tranzitia A‐B) la o forta maxima de apasare pe contact de 1,2 nN.  

Figura 5 prezintă dependența de forței de adeziune de valoarea maximă a forței presiune pe contact la două 

valori ale vitezei de extindere a scanerului. Acest rezultat dezvăluie urmatoarele caracteristici: a)La valori scăzute ale 

forței maxime de presiune pe contact (mai mica de 0,5 nN), nu există aderență a vârfului hidroxilat al sondei AFM la 

SLB; b) La valori relativ mari ale  forței maxime de presiune pe contact (mai mare de 0,5 nN) există o probabilitate 

ridicată  de  a  măsura  valori  nenule  ale  forței  de  adeziune  dintre  vârfului  hidroxilat  al  sondei  AFM  si  SLB;  c) 

Probabilitatea de  inregistrare  a unei  forțe de  adeziune diferită de  zero  creste  cu  scăderea  vitezei de  extindere  a 

scanerului  (respectiv,  creșterea  timpului de  contact); d) Valorile  forței de adeziune  sunt  inegal  răspândite  într‐un 

interval  de  variatie  cuprins  între  0  și  150  pN;  e)Histograme  ale  valorilor  forței  de  adeziune  prezinta maxime  de 

frecvența de apariție  la valori de 60 PN, 80 PN, și 100 pN; f) Indiferent de valoarea maxima a forței de presiune pe 

contact si de valorile timpului de contact, în experimente de spectroscopie cu forță atomica efectuate cu sonde AFM 

de nitrura de siliciu netratate in plasma (curățate de solvenți organici) s‐a observat valori nule ale forței de aderență. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 5. Dependenta fortei de adeziune dintre varful hidroxilat al sondei AFM si stratul bilipidic pe suport de mica de valoarea maxima a fortei de presiune pe contact si de tipul de contact (viteza de extensie a scanerului)  

 

 

Figura 6. Reprezentarea schematica a formarii Legaturilor de hidrogen dintre gruparile hidroxil de pe suprafata vafului sondei AFM si gruparile  fosfat din capul hidrofilic a moleculelor de  fostatidilcolina din componenta stratului bilipidic  

 

 

 

  Caracteristicile  experimentale  descrise mai  sus  pot  fi  explicate  dacă  forța  adeziune  între  vârful hidroxilat AFM  și bistraturile  lipidice este atribuită  formarii de  legături de hidrogen  între moleculele de hidroxil pe suprafața 

vârfului sondei AFM și atomii de oxigen din gruparea fosfat a moleculelor de fosfatidilcolina (Figura 6). Numărul de legături de hidrogen crește cu forța aplicată de către vârful AFM privind SLB și timpul de contact. In acest sens datele experimentale obtinute pana acum precum si cele care vor fi obtinute  in experimente ulterioare (cu o definire mai buna a tipului de stationare a sondei  in contact cu suprafata stratului  lipidic) vor  fi prelucrate statistic  in acord cu modelele histeretice statistice ale formarii legaturilor de hidrogen.  

Aceste rezultate au fost publicate la doua conferinte internationale (8th NanoBio‐Europe Conference, 18‐20 iunie, 2012, Varese, Italia si 9th International Conference On Physics Of Advanced Materials, 20‐23 septembrie, Iasi, Romania). 

3. Comportamentul stocastic al fortei de adeziune dintre varfurile sondelor AFM hidroxilate si straturi lipidice pe support de mica. Determinarea fortei legaturilor de hidrogen. 

Cinetica  formarii de  legături de hidrogen  între  grupele hidroxil de  la  suprafața hidroxilata  a  sondelor AFM  și 

atomi de oxigen a gruparilor fosfat sau carbonil a moleculelor de fosfatidilcolina din bistraturile lipidice (SLB) depuse 

pe mica a  fost  investigata  in detaliu considerand doi parametri  relevanti, timpul de contact si  forta de apasare pe 

contact,  parametri  ce  au  fost  controlati  experimental.  Comportamentul  stocastic  de  formare  și  de  rupere  a 

legăturilor de hidrogen este accentuat de aria  limitata a suprafetei de contact dintre vârful sondei AFM si bistratul 

lipidic,  interactiunea  limitandu‐se  la  la  un  număr  relativ mic  de molecule.  Numarul  de molecule  a  fost  estimat 

teoretic considerand deformarea SLB descrisa de modelul de Das et al (Das, C; Sheikh, K. H.; Olmsted, P. D.; Connell, 

S. D.  Phys.  Rev.  E  2010  82,  041920.)  În  acest model,  adâncimea  de  indentarea,  z,  este  determinată  de  forța  de 

apasare conform relației: 

2

2/4⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−⋅

⋅⋅=

zhzRkF tAπ

,          (1)

unde Rt este raza vârfului sondei AFM și h, grosimea stratului lipidic unic. Adâncimea de indentare determină o arie 

de contact A = 2πRtz care contine un numar de molecule de fosfatidilcolina determinat de relatia: 

azR

aAN t ⋅⋅==

π2,            (2) 

unde a este aria ocupata de o singura molecula. Neglijând variația lui a cauzată de expulzarea moleculelor din zona 

de  interacțiune, deducem că numărul de molecule de fosfatidilcolina care  interacționează cu suprafața vârful AFM 

creștere cu F1/2. O estimare pentru o forta de apasare F = 0,8 nN aplicata pe o sonda AFM cu Rt = 50 nm pe un SLB de 

fosfatidilcolina cu h = 3 nm , a = 0,6 nm2 , și kA = 0,15 N/m determina valori de circa 1 nm pentru z și aproximativ 500 

pentru N. Deși un număr relativ mare de molecule sunt  în contact cu suprafața vârful AFM , doar câteva dintre ele 

formează legături de hidrogen în timpul contactului . Conform datelor experimentale, la valori moderate ale F numai 

10 % dintre măsurătorile individuale de spectroscopie de forță atomica arată formarea de una sau mai multe legături 

de hidrogen . Aceasta fractie determina o probabilitate de formare de legături de hidrogen per moleculă mai mica de 

0,1 %  . Deoarece această probabilitate mică nu este determinată de o densitate scăzută a radicalilor hidroxil de pe 

suprafața  vârfului  sondei  AFM  (care,  conform  spectrelor  XPS  prezentate  in  sectiunea  precedenta,  este  puternic 

hidroxilata),  putem  concluziona  că  trebuie  să  existe  o  barieră  de  energie  ce  împiedică  formarea  legăturilor  de 

hidrogen.  În  primul  rând,  observăm  că,  înainte  de  contact,  site‐urile  disponibile  pentru  formarea  de  legături  de 

hidrogen  de  pe  suprafetele  SLB  și  varful  sondei  AFM  sunt  ocupate  de molecule  de  apa.  Prin  urmare,  apasarea 

vârfului sondei AFM pe SLB conduce la desfacerea legaturilor de hidrogen cu moleculele de apă în favoarea formării 

de legarurilor de hidrogen între fosfatidilcolina și gruparile hidroxil de pe suprafața vârfului sondei AFM. Acest proces 

este favorizat de către forța de  împingere, F, prin efectul de scădere a barrierei de energie a procesului. Evident, o 

creștere a timpului de contact conduce la o creștere a probabilității formării de legaturi de hidrogen.   

În  scopul  determinarii  valoarii  forței  de  rupere  pe  legatura,  F1,  am  aplicat metoda  de Williams  și  colab 

[Williams, J. M.; Taejoon, H.; Beebe, T. P. Jr. Langmuir 1996 12, 1291‐1295] pentru analiza statistică a valorilor fortei 

de adeziune dintre vârful sondei AFM si SLB pe seturi de masuratori efectuate la aceleasi valori ale parametrilor F si tr 

(forta  de  apasare  la  contact  si  timpul  de  contact). Metoda  se  bazează  pe  presupunerea  că  forta  de  adeziune 

masurata  in  fiecare experiment de spectroscopie cu  forta atomica este determinată de  ruptura a unui număr mic 

discret n de legaturi de hidrogen, fiecare legătură contribuind cu forța F1 la forta de adeziune datorata interactiunilor 

nespecificenespecifice (van der Waals , electrostatica), F0 . Prin urmare ,forța de adeziune totala, Fa , este 

01 FFnFa +⋅=           (3) 

Deoarece probabilitatea de formare a unei legături simple este foarte scăzută, se presupune că distribuția de probabilitate pentru n este distribuția Poisson: 

µµ −⋅= en

nPn

!)(           (4) 

unde μ este valoarea medie a distribuției.Distribuția Poisson se caracterizează prin faptul că varianța, σ2, si valoarea ei medie sunt egale: 

2σµ =             (5) 

Prin urmare, media și varianța fortei Fa sunt: 

01 FFFa +⋅= µµ ,          (6) 

respectiv 

21

21

22 FFFa ⋅=⋅= µσσ .        (7) 

Cele doua formule determina urmatoarea dependenta lineara intre varianta si valoarea medie a fortei de adeziune: 

1012 FFFFaFa ⋅−⋅= µσ         (8) 

Prin urmare, valorile fortelor de adeziune F1 si F0 pot fi găsite prin regresie liniară a dependentei valorilor varianței de valorile medii determinate in seturi distincte de masuratori pentru diferite valori ale parametrilor F si tr.  

Pentru  o  analiză  statistică  a  formării  legături  de  hidrogen  între  varful  hidroxilat  al  sondei  AFM  SLB  am 

efectuat mii de masuratori de spectroscopie de forță atomica pentru valori diferite ale parametrilor F și tr pe aceasi 

suprafata (1,5 µ m × 1,5 µ m) a SLB. Figura 7 ilustreaza imprastierea valorilor masurate pentru forta de adeziune, Fa, 

la diferite valori ale  lui F si  la două valori ale  tr. Graficul arată că doar o mică parte a masuratorilor  indica o  forță 

adezivă diferita de zero, aceasta parte crescand odata cu creșterea valorilor lui F și tr. 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 7 Comportamentul stochastic al forței de adeziune dintre varful hidroxilat al sondei AFM si SLB înregistrat într‐un număr de 5000 de măsurători individuale de spectroscopie de forță atomica, cu un timp de staționare in contact de 20 ms și, respectiv, 1 s.  

Aceste date experimentale au fost sortate în funcție de valorile fortei aplicate pe contact, F, în intervale ∆F = 

0,1 nN, fiecare interval cuprinzand câteva sute de măsurători. Apoi, valorile Fa înregistrate pentru fiecare interval au 

fost  folosite  pentru  a  calcula  valoarea medie  și  varianța  fortei  de  adeziune.  Figura  8  prezintă  rezultatul  acestei 

analize ca dependența valorilor medie și deviație standard (bare de eroare) ale forței de adeziune in functie de F la 

doua valori ale lui tr. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 8. Dependenta valorilor medie  și deviație  standard ale  fortei de adeziune de  forța de apasare pe  contact. Valorile medie și deviatie standard au  fost calculate pe seturi de circa 300 de valorile ale  lui Fa  înregistrate pentru intervale de larime 0,1 nN ale lui F. 

Valoarea medie și varianța forței de adeziune se supun dependentei lineare descrise de ecuația (8 ). Figura 9 prezinta 

dependenta varianței de valoarea medie a forței de adeziune măsurată în seturi de experimente efectuate la același 

valoare a  lui F și valori diferite de tr (valori sunt  indicate pe grafic  în milisecunde). Datele experimentale corespund 

bine  cu dependența  liniară prevazuta de  ecuatia  (8),  coeficientul  lor de  corelare  fiind R = 0,96.  Fitarea  lineara  a 

datelor experimentale  indica valori de 43,2 pN  și 0 pN pentru F1  și,  respectiv, F0. Valoarea  zero a  lui F0  confirmă 

faptul că suprafața hidroxilata a vârfului sondei AFM si suprafața SLB nu sunt încărcate electric în PBS la pH neutru. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 9. Dependența variantei de valorea medie a forței de adeziune, asa cum a fost determinata din seturi de aproximativ 300 de masuratori la diferiti timpi de contact si la aceeasi forta de apasare pe contact, F = 0,8 nN. 

Figura 10 prezintă comparativ dependenta  lineara a variantei de valoarea medie a  fortei de adeziune masurate cu 

doua  sonde AFM diferite  (a  caror  varfuri  au  razele de  curbura Rt = 10 nm,  respectiv, 50 nm). Pentru  vârful AFM 

neascuțit (Rt = 50 nm) valorile medii și varianta ale Fa sunt mai mari ca urmare a existentei unui număr mai mare de 

molecule care  interacționează  in zona de contact. Cu toate acestea  ,distribuția Poisson a numărului de  legături de 

hidrogen  formate  întrevârful  AFM  și  straturi  lipidice  duble  este  valabilă  pentru  ambele  sonde  AFM.  Distribuția 

punctelor  pe  grafic  pentru  varful  AFM  neascuțite  este  deplasata  spre  valori mai mari,  dar  respecta  dependenta 

lineara cu aproximativ acceasi panta. Același lucru se întâmplă si atunci când crește timpul de contact (a se compara 

distributia punctelor pe dreapta obtinute pentru timpi de contact de 20 ms și, respectiv, 1 s). 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 10. Dependența varianței de valoarea medie a forței de adeziune dintre varful sondei AFM hidroxilate si SLB masurata în condiții experimentale diferite. Toate datele experimentale corespund bine unei dependențe liniare cu o pantă care determina o forță F1 = 45 ± 5 PN pentru legătura de hidrogen. 

Aceste rezultate au fost publicate la Conferinta Nationala de Biofizica {A. Apetrei and L. Sirghi, Stochastic Behavior of Hydrogen Bond Formation Between Phospholipid Constituents Of Supported Lipid Membranes and Hydroxylated AFM Tips, 12th National Conference on Biophysics, with international participation, 13‐16th June 2013, Iasi, Romania (oral presentation)} si intr‐un articol trimis spre publicare in revista Societatii Americane de Chimie, Langmuir. 

4. Investigarea mecanismemor de formare a meniscului de apa la contactul dintre suprafetele supehidrofile ale sondelor si specimenelor AFM de siliciu hidroxilate in plasma 

  In acest studiu, sonde si specimene AFM cu suprafete hidrofilizate prin tratament in plasma au fost folosite 

in  investigarea mecanismului  de  formare  a  puntii  de  apa  la  contactul  nanoscopic  al  corpurilor. Astfel  s‐a  pus  in 

evidenta (pentru cazul suprafețelor foarte hidrofile) rolul dominant al transportului moleculeor de apă adsorbite pe 

suprafațe in formarea meniscului de apa. Aceasta dinamica a formarii meniscului de apa este susținută de rezultatele 

măsurătorilor AFM de  forță capilară a meniscurilor de apa  format  la contactul glisant dintre vârful  sondei AFM  si 

suprafata plana a unei placute de  siliciu  (ambele  suprafete  fiind  curatite  si hidrofilizate  in plasma unei descarcari 

electrice  in aer). Figura 11 prezinta schematic acest experiment. Aceste măsurători au arătat că mișcarea rapidă a 

regiunii  de  contact  de  contact  împiedică  formarea  de  meniscuri  la  echilibru  termodinamic,  deoarece  fluxul 

transportul apei de suprafață spre regiunea de contact este prea lent pentru a ajunge la meniscul în mișcare (Figura 

12). Măsurătorile de  spectroscpoie  cu  forta  atomica  au  arătat  o  formare  instantanee  a  unui menisc de  apă  prin 

contopirea  straturilor de apă adsorbite pe varful  sondei AFM  și pe  suprafeța  specimenului, urmată de evolutia  in 

timp a meniscului spre o stare staționară, corespunzătoare echilibrului termodinamic. Această dinamică a meniscului 

de apă este  indicată de evoluția  în timp a forței capilare, care crește odată cu timpul de contact pana  la o valoare 

stationara de echilibru. 

Aceste  rezultate  au  fost  publicate  intr‐un  articol  in  revista  Societatii Americane  de  Chimie,  Langmuir.  {L. 

Sirghi, Transport Mechanisms in Capillary Condensation of Water at a Single‐Asperity Nanoscopic Contact, Langmuir 

28(5) 2558‐2566 (2012)}. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 11. Formarea meniscului de apa la contactul    Figura 12. Dependenta fortei capilare a meniscului de  glisant dintre suprafetele hidrofile ale varfului si     apa format la contactul glisant de viteza acestuia. specimenului AFM.  

5. Modificarea propritatilor de suprafata a sondelor AFM prin acoperirea lor cu un strat subtire de diamond­like carbon (DLC) 

Acoperirea suprafetelor sondelor AFM cu filme subtiri de diamond‐like carbon (DLC) confera acestora proprietati 

speciale ca duritate mare,  frecare mica,  inertie chimica  și biocompatibilitate. Aceste  filme  sunt  foarte  interesante 

pentru aplicatii  in biomedicina {G. Dearnaley, J. H. Arps, Surface & Coatings Technology 200 (2005) 2518 – 2524} și 

tehnologia MEMS {K. Luo, Y. Q. Fu1, H. R. Le, J. A. Williams, S. M. Spearing and W. I. Milne, J. Micromech. Microeng. 

17 (2007) S147–S163}. Deși aceste filme sunt numite DLC, ele sunt amorfe și mai putin dense si optic transparente 

decat diamantul. Structura  lor este un amestec  între  structura  trigonală planară din grafit,  care  se  formează prin 

legături C‐C sp2, și structura tetragonala de diamant formata de legaturi C‐C sp3. Proprietățile specifice unui film DLC 

sunt date de  raportul dintre densitatea de  legaturi sp3  și  sp2. O densitate mare de  legaturi sp3 asigura duritatea 

suprafeței , dar si creșterea tensiunii in film si a fortelor de frecare. Pe de alta parte, o densitate scăzută de legaturi 

sp3 duce la scaderea duritatii și a frecarii. 

Pentru  depunerea  de  filme DLC  pe  sonde  AFM,  am  folosit  o  descarcare magnetron  in  puls  de  putere mare 

(HiPIMS  ) cu  tinta de grafit. Parametrii descarcarii au  fost p = 5 mTorr  in Ar, durata pulsurilor de curent = 10 ms, 

frecventa de repetitie a pulsurilor = 1.5 KHz, amplitudinea tensiunii pe puls = 900 V, valoarea medie a puterii = 100 W 

si  a  intensitatii  curentului de descarcare = 111 mA.  Filmele depuse  au  fost  caracterizate  chimic prin  analiza XPS. 

Figura 13 prezinta spectrul XPS  tipic pentru  filmele DLC depuse. Deconvolutia picurilor din spectrul corespunzator 

legaturilor de carbon determina o fractie de aproximativ 21% a legaturilor sp3. 

 

 

 

 

 

 

Figure  13.  Spectrul  XPS  al  filmelor DLC  depuse  prin  pulverizarea  unei  tinte  de  grafit  in  descarcarea HiPIMS. Deconvolutia picurilor corespunzatoare diferitelor  tipuri de  legaturi ale carbonului determina o  fractie de  legaturi sp3 de aproximativ 21%. 

Topografia suprafetei filmelor DLC a fost investigata cu ajutorul microscopiei cu forta atomica. In figura 14 este 

prezentata  o  imagine  AFM  a  suprafetei  unui  film DLC  (aria  scanata  este  1µm  x  1µm)  (a)  si  histograma  valorilor 

inaltimii z masurata pe suprafata filmului (b). Datele releva o suprafata foarte neteda caracterizata de o rugozitate 

de numai 0,4 nm. Rugozitatea filmelor creste usor cu grosimea lor. 

O  problema  importanta  in  acoperirea  sondelor  AFM  prin  depuneri  de  filme  subtiri  o  constitue  depunerea 

neuniforma pe varf datorita factorului geometric foarte mare a varfurilor sondelor AFM. In plus, depunerea de filme 

pe suprafete cu o curbura atat de mare (raza de curbura de ordinul a 10 nm) poate genera tensiuni foarte mari  in 

film,  fapt  ce  conduce  la  aparitia  de  crapaturi  si  exfolierea  filmului.  Pentru  a  verifica  omogenitatea  si  robustetea 

filmelor  depuse  pe  varful  sondelor AFM  am  procedat  la  scanarea  suprafetei  unui  specimen  ce  prezinta  structuri 

foarte ascutite (am folosit grila standard de siliciu TGT1 de la NT‐MDT ce prezinta muchii ascutite cu raza de curbura 

la varf de aprox 5 nm) pentru a determina raza de curbura a varfului sondei AFM inainte si dupa depunere. Figura 15 

prezinta profilul unei muchii ascutite a grilei standard inainte si dupa depunerea filmului DLC. 

(a)                                                                                          (b) 

 

 

 

 

 

 

 

Figura  14.  Imaginea  topografica  (a)  si  histograma  inaltimii  punctelor  de  pe  suprafata  pentru  un  film DLC  cu grosimea de 60 nm.  

 

 

 

Figura 15. Profilul  imaginilor unei muchii ascutite a grilei standard  TGT1  (NT‐MDT,  Rusia)  masurat  inainte  si  dupa depunerea unui film DLC de grosime 40 nm 

 

 

 

Se observa o crestere a razei de curbura a  imaginii muchiei ascutite cu aproximativ 20 nm, fapt ce  indica prezenta 

unui film pe varful sondei AFM cu aceasta grosime, care este totusi mai mica decat grosimea filmului depus pe baza 

sondei AFM (40 nm). Conform acestui rezultat, putem concluziona ca depunerea pe varf a fost realizata cu succes, 

dar ca grosimea filmului pe varf este mai mica decat cea a filmului de pe baza sondei. 

Depunerea unui  film DLC pe  cantileverul  sondei AFM modifica  si proprietatile mecanice  ale  acestuia datorita 

contributiei  filmului  la  forta  elastica  si masa  cantileverului. Astfel  constanta  de  elasticitate  a  cantileveruylui  este 

determinata de relatia: 

13

2111

3

3

4)(3

4' kk

lttwtE

lEwt

zFk z +=

++=

∆= ,        (9) 

-3 -2 -1 0 1 2 30

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

frequ

ency

cou

nts

height [ nm ]

DLC 10.04_0

unde k este constanta de elasticitate a cantileverului inainte de depunere, k1, contributia filmului DLC la elasticitatea 

cantileverului, w, grosimea cantileverului, t, grosimea cantileverului, t1, grosimea filmului, l, lungimea cantileverului, 

E, modului  lui  Young  pentru  cantilever  (pentru  siliciu  policrtistalin,  E=  150  GPa)  si  E1, modulul  de  elasticitate  a 

filmului DLC (valori cuprinse intre 5 si 25 GPa). Masa efectiva a cantileverului se modifica si ea conform relatiei: 

tlwmmmm ⋅⋅⋅+=+= 11 10033' ρ ,        (10) 

unde m este masa rfrctiva a cantileverului inainte de depunere, m’, masa efectiva a cantileverului dupa depunere, m1 

contributia filmului depus la masa efectiva a cantieleverului si ρ1 densitatea masica a filmului DLC. In aceste conditii 

frecventa de rezonanta a cantileverului se modifica devenind: 

 

                          (11) 

 

Modificarile  frecventei  de  rezonanta  si  a  constantei  de  elasticitate  a  cantileverului  pot  fi masurate  prin  analiza 

spectrului  de  zgomot  termic  al  cantileverului.  Figura  16  prezinta  spectrul  de  putere  a  zgomotului  termic  al 

cantileverului masurat  inainte si dupa depunerea  filmului DLC. Variatiile  lui  f si k datorate depunerii  filmului pot  fi 

folosite  la calculul densitatii masice si a modulului de elasticitate a acestuia, ρ1. Astfel pentru cazul cantileverului a 

carui spectru de putere este prezentat in figura 16, ρ1 = 2300kg/m3 si = E1= 35 GPa. 

 

 

 

 

 

 

Figura 16. Spectrele zgomotului termic al cantileverului unei sonde AFM (CSG 37 de la Mikromash)  inainte (rosu) si 

dupa depunerea (mov) filmului DLC. 

In final, sondele AFM a caror suprafata a fost modificata prin depunerea de straturi DLC au fost folosite intr‐

un studiu al efectului umiditatii atmosferice asupra fortei de frecare. Rezultatul acestui studiu este ilustrat in figura 

17,  care prezinta dependenta  fortei de  frecare de  forta de  apasare pe  contact pentru doua  valori  ale umiditatii. 

Concluzia acestui studiu este ca la forte de apasare mici vaporii de apa adsorbiti pe suprafata filemelor de DLC joaca 

rol de  lubtrfiant. Expulzarea moleculelor de apa din zona de contact  la valori mari a  fortei de apasare  in mediu cu 

umiditate mare duce la cresterea drastica a fortei de frecare dintre cele doua suprafete DLC. 

tttt

EE

ff11

11

00

1

31'

⋅+

⋅+⋅=

ρρ

 

 

 

 

 

 

 

Figura 17. Dependenta fortei de frecare de forta de apasare normala pe contact la contactul a doua suprafete DLC in 

aer cu umiditate scazuta (3 %) si, respectiv, mare (48%).  

Aceste rezultate au  fost publicate  la Conferinta  Internationala de Fizica Plasmei si Aplicatii, Bucuresti, Romania { L. 

Sirghi, V. Tiron, and M. Dobromir, High power impulse magnetron sputtering deposition of diamond‐like carbon thin 

films on atomic force microscopy probes, 16th International Conference on Plasma Physics and Applications, 20‐25 th 

June 2013, Magurele, Bucharest, Romania (oral presentation)}  

6. Modificarea propritatilor de suprafata a sondelor AFM prin acoperirea lor cu un strat subtire de poly(tetrafluoroetilena) (CFx) 

Acest studiu este dedicat  investigarii utilizarii depunerii de filme subtiri de poly(tetrafluoroetilena) (CFx) pentru 

modificarea  proprietatilor  de  suprafata  a  sondelor  AFM,  urmarindu‐se  in  principal  realizarea  de  sonde  AFM  cu 

proprietati antiadezive pentru suprafetele specimenelor biologice ( in special, proteine) in aer si in lichid. 

Depunerea de filme subtiri CFx a fost realizata  intr‐o descarcare de radiofrecventa magnetron  in argon  la  joasa 

presiune  (5  Pa)  la  putere mica  (10‐30 W)  in  care  s‐a utilizat o  tinta  de poly(tetrafluoroetilena)  cu puritate mare 

(Goodfellow). Compozitia si structura chimica a filmelor depuse a fost investigata prin analiza XPS. Figura 18 prezinta 

deconvolutia picului de carbon  la 287 eV  in picuri reprezentand diferite  legaturi ale carbonului  in film. Din aceasta 

analiza rezulta stochiometria filmului conform formulei: 

                        (12) 

Aceasta  valoare mica  a  lui  x  este  explicata  de  bombardamentul  ionic  al  suprafetei  filmului  in  timpul  depunerii, 

bombardament ce ar putea sa scoata atomii de F din film. In prezent facem modificari ale parametrilor de depunere 

(marirea presiunii  gazului de  lucru  la  50  Pa  si  a distantei de  la  tinta  la  substrat de  la  10  cm  la  15  cm) pentru  a 

imbunatati coeficientul stochiometric. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 18. Spectrul XPS al legaturilor de carbon in filmele CFx depuse. 

Topografia suprafetelor filmelor CFx depuse a fost investigata cu ajutorul microscopiei cu forta atomica. In figura 19 

sunt prezentate imagini topografice ale suprafetelor a doua filme cu grosimi diferite. Se observa o crestere a 

rugozitatii suprafetei filmelor odata cu cresterea grosimii lor. Acest lucru se datoreaza cresterii de particule (grains) 

pe suprafata filmului, inaltimea acestora fiind in medie de 20 nm pentru filmele cu grosime de 60 nm, dar putand 

ajunge si la 50 nm pentru filmele mai groase (> 120 nm). Primele masuratori pentru filme depuse la presiune mai 

mare par sa indice o suprafata mult mai neteda. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 19. Imagini AFM topografice si histogramele corespunzatoare pentru doua filme CFx de grosimi diferite. 

Duritatea filmelor CFx depuse a fost studiata cu ajutorul experimentelor de nanoindentare (AFM). Imaginea 

imprintata in suprafata filmului prin indentare cu varful piramidal triunghiular al unei sonde AFM a fost inregistrata 

(Figura 20 a) si folosita pentru a calcula aria de contact, Smax, dintre varful indenterului si film in momentul exercitarii 

fortei maxime  de  apasare,  Fmax.  Figura  20  b  prezinta  curba  de  forta  inregistrata  la  o  indentare. Duritatea  a  fost 

calculata conform formulei: 

  .                      (13) 

In cazul analizat Simp = 880 nm2 si Fmax = 350 nN, de unde rezulta Hn = 0,4 GPa. 

impn S

FH max=

a)                                                                                  b) 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 20. a)Imaginea si profilul inaltimii amprentei lasate de indentarea filmului cu un varf piramidal triunghiular al unei sonde AFM (NSG 11 from NT‐MDT). B) curbele de forta masurate pe durata indentarii. 

 

In prezent sunt in desfasurare experimente de masura a fortelor de adeziune intre suprafetele acoperite cu filme subtiri de CFx  in aer si  in apa. Deasemenea sunt efectuate experimente de masura a fortelor de  interactiune dintre  proteine  (colagen)  si  varfurile  sondelor  AFM modificate  chimic  prin  acoperirea  suprafetei  lor  cu  un  strat subtire de CFx. 

Aceste  rezultate  partiale  au  fost  prezentate  la  5th  Central  European  Symposium  on  Plasma  Chermistry  (L. Sirghi, V. Tiron, V. Anita  si M. Dobromir, Poly(tetrafluoro ethylene) coatings  for atomic microscopy probes,  5th Central European Symposium of Plasma Chemistry, 25‐29 august, 2013, Balatonalmady, Hungary. 

 

7. Lucrari ISI publicate (cu aknowledgement) [1] L. Sirghi, Transport Mechanisms in Capillary Condensation of Water at a Single‐Asperity Nanoscopic Contact, Langmuir 28(5) 2558‐2566 (2012) 

[2] V. Tiron, L. Sirghi, G. Popa, Control of aluminum doping of ZnO:Al thin films obtained by high‐power impulse magnetron sputtering, Thin Solid Films 520 (13) 4305‐4309 (2012). 

[3] A. Apetrei, L. Sirghi, Stochastic adhesion of hydroxylated atomic force microscopy tips to supported lipid bilayers, submitted to Langmuir. 

8. Prezentari la conferinte (cu aknowledgement) 

[1] L. Sirghi, A. Apetrei, T. Luchian, Adhesion of a hydroxilated atomic force microscopy probe to lipid membranes, 8th 

NanoBio – Europe conference, 18‐20 iunie 2012, Varese, Italia (poster presentation). 

[2] L. Sirghi, A. Apetrei, M. Dobromir, Hydroxylation of atomic force microscopy probes by H2O plasma Treatment, 9th International  Conference  On  Physics  Of  Advanced  Materials,  20‐23  septembrie  2012,  Iasi,  Romania.  (oral presentation) 

[3]  L.  Sirghi,  Capillary  force  at  single‐asperity  nanoscopic  contacts,  10  years  of  nanotechnology  development  in Republic of Moldova, 22‐23 octombrie 2012, Balti, Republica Moldova (oral presentation) 

[4] A. Apetrei and L. Sirghi, Stochastic Behavior of Hydrogen Bond Formation Between Phospholipid Constituents Of  Supported  Lipid Membranes and Hydroxylated AFM Tips, 12th National Conference on Biophysics, with international participation, 13‐16th June 2013, Iasi, Romania (oral presentation) 

[5] D. Ciumac, A. Apetrei, L. Sirghi, T. Luchian, Mechanical properties of supported lipid bilayers. An Atomic Force Microscopy  indentation  approach,  12th  National  Conference  on  Biophysics,  with  international participation, 13‐16th June 2013, Iasi, Romania (poster presentation) 

 [6] L. Sirghi, V. Tiron, and M. Dobromir, High power impulse magnetron sputtering deposition of diamond‐like carbon thin films on atomic force microscopy probes, 16th International Conference on Plasma Physics and Applications, 20‐25 th June 2013, Magurele, Bucharest, Romania (oral presentation) 

[7] L. Sirghi, V. Tiron, V. Anita si M. Dobromir, Poly(tetrafluoro ethylene) coatings for atomic microscopy probes, 5th Central  European  Symposium  of  Plasma  Chemistry,  25‐29  august,  2013,  Balatonalmady,  Hungary  (oral presentation) 

                      20 octombrie, 2013    Director proiect, 

Conf. Dr. Hab. Lucel Sirghi