Nagyfeloldású Mikroszkópia Dr. Szabó István 6. Atomok közti erőhatások TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

6. Atomok közti kölcsönhatások Elmélet Erőhatások atomi méretű rendszerek között A Van der Waals kölcsönhatás Spektroszkópiás Atomerő vizsgálatok és nanoindentáció Gyakorlat Erő-elmozdulás diagram előállítása és értelmezése Segédanyagok

Erőhatások atomi méretű rendszerek között

Mechanikia erők: súlyerő surlódás kényszererők rugalmasság

Mikro-nanorendszer Felületi feszültség Elektrosztatikus van-der Waals Elektronállapotok csatolódása Kémiai kötés

A van-der Waals köcsönhatás

Reális gázok leírása Az ideális gázok állapotegyenletének módosítása Pontosabb leírás Gáz-folyadék fázisátmenet megjóslása Atomok közti kölcsönhatás: Véges térfogat: Erős taszítás kis távolságon Nagy távolságokon vonzó kölcsönhatás Megfelelő állapotok törvénye

Atomi potenciál alak Két paraméterrel skálázott kölcsönhatás indukált dipól-dipól kölcsönhatás Lenard-Johnes potenciál Kvalitatív kép az atomok közti kölcsönhatás leírására

Kiterjedt testek közti van-der Waals kölcsönhatás Landau – Lifshitz modell EM vákuum fluktuációk “Az anyagi határfeltétek módosítják a nullponti fluktuációk spektrumát” Divergenciák kezelése Nem egyszerűen additív, vonzó és taszító is lehet a közegtől függően függően Hamaker erő : két makroszkópikus gömb közti erőhatás Casimir-effektus Többtest kölcsönhatás

Spektroszkópiás Atomi erő vizsgálatok és nanoindentáció

Kontakt üzemmódú pontspektroszkópia A tű és a minta közt fellépő erő elemzése egy pontban a tű és a minta távolság függvényében A pontspektroszkópia lépése A mérési pont kiválasztása A tű közelítése és benyomása A tű visszahúzása

Erőhatások Addhéziós erő Rövidtávú kémiai erő (Lennard-Jones) Elektrosztatikus, mágneses kölcsönhatás Kapilláris erők Mechanikai deformációs rugalmas erő Plasztikus deformációs viszkózus erő Van-der Waals kölcsönhatás

Kiértékelhető paraméterek Young-modulus Addhéziós erő, a tű kiszakításához szükséges addhéziós munka A minta maximális deformációja Energia disszipáció

Erő-elmozdulás diagrammok felvétele és értelmezése Gyakorlati feladatok

Az erőgörbe meghatározása A mért paraméter d(z): A kantilever lehajlása az abszolút piezó magasság függvényében A meghatározandó paraméter F(Δ) : Az erőhatás a tű-minta távolság függvényében. k : a kantilever rugóállandója d0 a lehajlás referencia értéke z0 a referencia magasság a mintától távol (F=0) D= d-d0 Z=z-z0 F = k D Δ=Z-D

Nano-indentáció A tű minta közti erőhatás kis értéke mellett a kis kontaktusfelület miatt nagy nyomások lépnek fel. A lenyomat kialakítása után az AFM segítségével elvégezhető a leképezés is Az erő-elmozdulás görbe segítségével meghatározhatók a plasztikus viselkedést jellemző mennyiségek. Egyedi hibakeletkezési és mozgási folyamatok detektálhatók.

Biológiai molekulák vizsgálata A molekula felvitele a szubsztrátra A kantilever és a felszín kontaktusa,a molekula kötödés kialakulása Az erő elmozdulás diagram felvétele Távolítás és közelítás Lépcsők, ugrások, lavinák azonosítása A molekula lánc kitekeredése során a hidrogén-híd kötések felszakadása és képződése A domének – molekuláris tartományok kitekeredés

Ellenőrző kérdések

Ellenőrző kérdések Milyen lokális és nem lokális erőhatások lépnek fel az AFM esetében? Mi a szerepe a kapilláris erőknek, és mikor lépnek fel? Milyen erőhatás teszi lehetővé az atomi feloldás elérését az AFM esetében? Mi a van-der Waals kölcsönhatás szerepe? Miből származik a van-der Waals kölcsönhatás? Milyen szakaszokból állhat egy erő-elmozdulás diagram? Milyen paraméterek határozhatók meg egy nanoindentációs kísérlet során? Hogy lehet meghatározni a kantilever rugóállandóját? Hogy lehet meghatározni az erő elmozdulás görbét az AFM pontspektroszkópia alapján? Milyen információkat szolgáltat a biológiai óriásmolekulákon végzett erőmérés?

Segédanyagok

Kiegészítő olvasmányok AFM segítség http://www.afmhelp.com/index.php

Programok GWYDDION SPM kép megjelenítő és manipuláló program http://gwyddion.net/

Nagyfeloldású Mikroszkópia Dr. Szabó István KÖSZÖNÖM A FIGYELMET ! TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"