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

Drd. Stoica Iuliana

Analiza curbelor de forţă:Conversia curbelor de forţă şi problema distanţei de zero

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

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.

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:Conversia curbelor de forţă şi problema distanţei de zero

(c) Materiale deformabile, fără forţe superficiale.

(d) Materiale deformabile cu forţă de atracţie şi adeziune

zkF F → forţaΔz → devierea cantileveruluik → constanta de elasticitate

legea lui Hooke

Forţele de extracţie obţinute din măsurătorile forţă – deplasare pot fi legate de lucrul mecanic de adeziune şi energiile libere superficiale corespunzătoare

1223 RWFextractie

122112 W

R → raza sfereiW12 → lucrul mecanic de adeziuneγ 1 → energia liberă a vârfuluiγ 2 → energia liberă a probeiγ12 → energia liberă interfacială

Analiza curbelor de forţă: Diferenţa dintre apropierea vârfului de probă şi retragerea lui ulterioară

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

Forţele de adeziune în microscopia de forţă atomică

Legile interacţiunii van der Waals pentru cele mai utilizate geometrii AFM

Două suprafeţe netede pe unitatea de arie

Două sfere

Sferă – suprafaţă netedă

Con – suprafaţă netedă

Paraboloid – suprafaţă netedă

Cilindru – suprafaţă netdăAH – constanta HamakerD – distanţaR – raza sferei sau a cilindruluiθ – semi-apertura conuluil – semi-axa paraboloidului

Influenţa rugozităţii (suprafeţei de investigat sau a sondei de scanare) asupra forţelor de adeziune

R – raza particuleir – raza asperităţiiAH – constanta HamakerD0 – 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 capilarăR – raza particuleiγ – tensiunea superficială a lichiduluiα – unghiul de imersareθr – unghiul de contact de revenire a lichidului pe sferăPentru Fcap= 0 rezultă α = θr

Dr – adâncimea imersiei particulei în bulă

Fdet – forţa de detaşare a particulei de pe bulăθa – unghiul de contact de înaintare a lichidului pe sferă

Spectroscopia de forţă atomică pentru o singură moleculăElasticitatea 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

Curbele forţă-deplasare măsurate pe polibutadienă înainte şi după reticulare

→ 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

Litografii – Staniu

Litografii – Poliimide

Litografii – Poliimide

Forţe laterale

HK

SVF LLLL 2/1

FL → forţa de frecareVL → valoarea torsiunii, exprimată în volţiSL → constanta laterală a fotodetectoruluiKL → constanta de elasticitate a cantileveruluiH → diametrul particulei coloidale