Modeling peak interaction forces of soft mater with dynamic afm in liquid

• Autores: Horacio A. Vargas Guzmán
• Directores de la Tesis: Ricardo García García (dir. tes.), Rubén Pérez Pérez (tut. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2014
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Gabriel Gomila Lluch (presid.), José Ortega Mateo (secret.), Sergio Santos Hernández (voc.), Pedro José de Pablo Gómez (voc.), Daniel Ebeling (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Nucleónica
      • Detectores de partículas
      • Física de partículas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • The atomic force microscope (AFM) is an instrument that has revolutionized the field of nanoscience and nanotechnology by enabling the characterization and manipulation of materials with nanometer (one billionth of a meter), molecular and atomic resolution. In the last 28 years a variety of experimental AFM techniques have been developed that go from contact to dynamic AFM modes or from working in air to liquid environments. A relevant research avenue within dynamic AFM modes is devoted to the generation of atomic and molecular resolution images of soft materials 1 in liquid environments. Whereby different applications are envisioned into areas of medicine (nanomedicine) and advanced materials. The research presented here focus on two dynamic AFM methods: amplitude modulation AFM (AM-AFM) and Bimodal AM. This thesis describes the study of the peak interaction forces of soft materials under low-Q environments imaged with AM-AFM and Bimodal AM. The peak/maximum interaction forces have been chosen because it rapidly enables tracking into the degree of invasiveness on the sample, its deformation and hence its resolution while imaging. This thesis proposes a theoretical modeling framework that can be divided in two closely related parts. The first part aims to refine the tip-sample interaction modeling for the description of elastic and viscoelastic phenomena of soft materials. The second part aims to obtain high-resolution imaging conditions from the numerical simulations of the dynamics of the cantilever-tip motion in liquid for an extensive range of dynamic AFM operational parameters and materials. Chapter 1 contains a description of the instrument components and its most common operation modes. Followed by, the introductory concepts regarding high-resolution imaging, as well as, its state-of-the-art while imaging in liquid. Then, a brief definition of the physics of soft materials is provided. The motivation of this thesis is also presented. Chapter 2, describes the mathematical modeling of the cantilever-tip as a point mass and also as a modified Euler-Bernoulli beam. Then, introduces the common used tipsample interaction models, emphasizing the description of the contact mechanical and viscoelastic force models. It also introduces an in-house developed simulations platform for modeling single and multifrequency dynamic force microscopy situations according to the framework described within this Chapter. Chapter 3, it introduces the frequency dependent behaviour of conservative and non conservative forces within AM-AFM. Moreover, it describes the key variables of AMAFM to study a viscoelastic material. In addition a method has been proposed to reconstruct the peak viscoelastic forces in time domain. Finally, an expression for estimating the contact time between tip and sample in AM-AFM is presented. Chapter 4, shows the interplay of AM-AFM operational parameters to obtain highresolution images of soft material in liquid. In addition an extensive study has been carried out to obtain the peak force dependence on each operational parameter (A0, Asp, k). Furthermore, the observed phenomena of such study have been described by comparing soft and relatively rigid materials. Chapter 5, contains a new scaling-law expression obtained for estimating the peak forces of soft materials in low-Q environments. It also contains a comparison of the former analytical expressions to estimate the force in AM-AFM and also numerical simulations of the Tatara and the Hertz contact mechanics models. Chapter 6, reveals the behaviour of the peak interaction forces in Bimodal AM force microscopy in liquid within the range of soft materials described in this thesis framework. Moreover, it shows how the peak forces in Bimodal AFM can be more gently modulated by means of varying A02 instead of Asp1. Finally, the Appendixes 1 and 2 are extensions to Chapters 2 and 5, respectively. Appendix 1 covers the introduction and description to the dynamic AFM simulator (dForce) and also provides an outlook for this scientific computing tool. Appendix 2 provides the details of the multivariate regression analysis performed to obtain the scaling-law expression obtained for estimating the peak forces of soft materials in low-Q environments El microscopio de fuerzas atómicas (AFM) es un instrumento que ha revolucionado el campo de la nanociencia y nanotecnología, ya que ha permitido la caracterización y manipulación de materiales con resolución nanométrica (una billonésima de metro), molecular y atómica. En los últimos 28 años se han desarrollado varias técnicas experimentales en microscopía de fuerzas. Las mismas pasan por distintos modos de operación, ya sean estos en AFM en modo contacto o dinámico y por su versatilidad de trabajo en aire o en líquidos. Una de las vetas de investigación más relevantes dentro de la microscop ía de fuerzas en modo dinámico está orientada a la obtención de imágenes con resolución atómica y molecular de materiales blandos 2 en líquidos. Dentro de dicha aréa de investigación ya se han visionado distintas aplicaciones en campos como la medicina (nanomedicina) y materiales avanzados. El trabajo de investigación presentado en esta tesis doctoral está enfocado en dos métodos dinámicos de microscopía de fuerzas: en amplitud modulada (AM-AFM) y Bimodal AM. Este trabajo constituye el estudio de las fuerzas pico de materiales blandos en ambientes con Q - bajos desde imágenes obtenidas en AM-AFM y Bimodal AM. La fuerza pico o máxima ha sido elegida, ya que esta permite rastrear el grado de invasividad sobre una muestra, su deformación y por tanto su resolución durante la obtención de una imágen de AFM. En la presente tesis doctoral se propone un marco de modelización que se divide en dos partes interrelacionadas. La primera tiene como objetivo el uso de nuevos modelos de interacción entre punta y muestra para describir fenómenos elásticos y viscoelásticos en materiales blandos. La segunda parte tiene el fin de proporcionar las condiciones de trabajo para la obtención de imágenes con alta resolución a través de simulaciones numéricas de la dinámica del sistema palanca-punta para una extensa cantidad de parámetros operacionales y propiedades de materiales. En el capítulo 1 se describen los elementos del instrumento y sus modos de opreación más comunes. A continuación se hace una introducción a los conceptos básicos sobre la toma de imágenes con alta resolución. Así mismo se presenta el estado del arte en MPa, donde se encuentran las propiedades mecánicas de materiales poliméricos o sistemas biológicos como (proteínas aisladas y/o empaquetadas). la toma de imágenes en líquidos. También se define brevemente la física de materiales blandos. Por ¿ultimo se presenta la motivación de esta tesis doctoral. En el capítulo 2 se describen los modelos matemáticos del sistema palanca-punta como ser: el de masa puntual y la teoría de Euler-Bernoulli. También se introducen los modelos de interación entre punta y muestra, haciendo énfasis en la descripción de los modelos de contacto y viscoelasticidad. Así mismo, se introduce la plataforma de simulación desarrollada durante esta tesis para modelar la dinámica del microscopio de fuerzas en modo dinámico, ya sea este mono y/o multimodal (de acuerdo al marco teórico descrito en este capítulo). El capítulo 3 introduce la dependencia en frecuencias de las fuerzas conservativas y disipativas en AM-AFM. Adicionalmente, se describen las variables clave de AM-AFM que permiten la interacción del instrumento con un material viscoelástico. También se presenta un método para reconstruir las fuerzas pico viscoelásticas dentro del dominio del tiempo. Finalmente se obtiene una ecuación para estimar el tiempo de contacto entre punta y muestra en AM-AFM. En el capítulo 4 se obtienen los parámetros operacionales (A0, Asp, k) necesarios para obtener imágenes de muestras blandas en líquidos con alta resolución. Así mismo se describen los fenómenos físicos que conllevan dicho estudio mediante comparaciones entre muestras blandas y relativamente rígidas. En el capítulo 5 se presenta una nueva expresión analítica para estimar las fuerzas pico de materiales blandos en medios de Q - bajos basada en el modelo de Tatara. También contiene comparaciones preliminares de los modelos existentes para obtener la fuerza de interacción en AM-AFM y las simulaciones numérica para dos modelos de mecánica de contacto: Hertz y Tatara. El capítulo 6 extiende las simulaciones numéricas hechas en AM-AFM a Bimodal AM y muestra el comportamiento de las fuerzas pico de materiales blandos en medio líquido como una función de las variables: A02, Asp1 y k. Mediante dicho análisis se observa como la fuerza pico puede ser modulada de forma más suave variando A02 en lugar de Asp1. Por último, de los dos apéndices incluidos en la tesis, el apéndice 1 recoge detalles de diseño, desarrollo y perspectivas del simulador de AFM en modo dinámico presentado dentro del capítulo 2. Por su parte el apéndice 2 presenta detalles sobre la regresión de múltiples variables realizada para la obtener la expresión de la fuerzas pico basada en el modelo de Tatara y presentada previamente en el capítulo 5.