Measurement of surface forces of adsorbed layers on smooth substrates

Abstract

The forces between surfaces determine the properties of many biological systems. This makes them an important field of study. With an atomic force microscope (AFM) such surface forces can be measured easily. In such measurements the AFM tip and the sample are approached and the force on the tip is recorded. It was the objective of this work to investigate the ubiquitous jumps of the tip towards the substrate both theoretically and experimentally. It is known that jumps occur if the gradient of an attractive force exceeds the spring constant of the cantilever. In this work a nucleation theory was developed that describes the jumps on a two-dimensional liquid film on a surface. These jumps correspond to the penetration of the tip through the liquid layer. The penetration is thermally activated. Theory predicts that the force at which the penetration occurs increases if the approach velocity between AFM tip and substrate increases. Parameters of the theory are the jump rate of the tip and an activated volume. Two different systems were investigated experimentally. A thermally activated jump was found for double layers of two model lipids, adsorbed on mica in electrolyte solution. Contrastingly, for the interaction between AFM tip and mica and graphite, both immersed in nalcohols with 2 to 8 carbon atoms, a periodic force profile was found. This force leads to a jump that is not thermally activated. Models for the structure of the alcohol molecules on the substrates are proposed that are based on the force profile.

Mit dem Rasterkraftmikroskop (RKM) können Oberflächenkräfte experimentell einfach gemessen werden. Bei diesen Messungen nähern sich RKM-Spitze und Probe an, während die Kraft auf die Spitze aufgezeichnet wird. Die vorliegende Arbeit beleuchtet die dabei häufig beobachteten Einsprünge der Spitze des Rasterkraftmikroskops in Richtung des Substrats sowohl theoretisch als auch experimentell. Bekannt war, daß Einsprünge auftreten, wenn der Gradient einer attraktiven Oberflächenkraft die Federkonstante des RKM-Feder übersteigt. In dieser Arbeit wurde eine Nukleationstheorie entwickelt, die Einsprünge von RKM-Spitzen auf einem zweidimensionalen flüssigen Film auf einer Oberfläche beschreibt. Die Einsprünge entsprechen einem Durchbruch der Spitze durch den Film und sind thermisch aktiviert. Die Theorie sagt voraus, daß die Einsprungkraft mit steigender Annäherungsgeschwindigkeit der RKM-Spitze an das Substrat zunimmt. Parameter der Theorie sind die Anzahl der Durchstöße pro Sekunde der RKM-Spitze durch den flüssigen Film und ein aktiviertes Volumen. Experimentell werden zwei unterschiedliche Systeme untersucht. Ein thermisch aktivierter Einsprung wurde an Doppelschichten aus zwei Modell-Lipiden gefunden, die in Elektrolytlösung auf Glimmer adsorbiert sind. Für die Wechselwirkung zwischen RKM-Spitze und Glimmer beziehungsweise Graphit in n-Alkoholen mit zwei bis acht Kohlenstoffatomen wurde hingegen ein oszillierendes Kraftprofil nachgewiesen. Dieses Kraftprofil führt zu einem Einsprung, der nicht thermisch aktiviert ist. Aufgrund des Kraftprofils wurden Modelle für die Struktur der Alkoholmoleküle auf beiden Substraten entwickelt.