De grote vraag in Atomic Force Spectroscopy:

De grote vraag in Atomic Force Spectroscopy in vloeistof omgeving:

Hoe meten we de dissipatie op de nano-schaal?

Begeleiding: Sissi de Beer & Frieder Mugele

De Atomic Force Microscope (AFM) wordt, sinds de uitvinding ervan begin jaren 80, al tientallen jaren met succes gebruikt om kwalitatief fenomenen op nanoschaal te besturen. De AFM wordt overal gebruikt: van vaste stof fysica tot vloeistoffysica en van chemie tot biologie. En de resultaten die met deze onderzoeken zijn gehaald, worden toegepast in onnoemelijk veel werkgebieden: van de medische wereld tot de super-geleider industrie.

In de afgelopen jaren wordt het AFM toenemend toegepast in vloeistof omgeving, bv. ivm. biologische vraagstukken. In dit geval is het verzamelen van kwantatieve gegevens echter een grote uitdaging, omdat de interactie van de tip met de vloeistof de directe tip-sample krachten verandert. De centrale te antwoorden vraag is: Wat zijn de krachten die tussen de AFM tip en het onderzochte materiaal werken en wat is de invloed van de vloeistof hierop?

Veel onderzoeks-groepen in de wereld beweren de beste methode te hebben om kwantitatief de tip-sample krachten te bepalen. Voor de bepaling van de conservatieve kracht gaat dat ook wel goed. Op wat kleine details na, meten mensen daarin nagenoeg hetzelfde.

Maar op het gebied van de dissipatieve krachten lopen de resultaten van de verschillende groepen nogal uiteen.

Dit willen wij eens goed uit gaan testen.

Hiervoor gebruiken we het model-systeem van de Reynolds kracht die ontstaat als je een bol naar een oppervlak brengt met een vloeistof ertussen. De vloeistof die er dan tussen uit moet stromen, zorgt voor een hydrodynamische damping en dus een opwaardse kracht als functie van de snelheid en de afstand tussen de bol en de wand D: .

Door een AFM tip met een radius R van ongeveer 100nm te laten oscilleren en dan naar een oppervlak te laten gaan in vloeistof, kunnen we uit de amplitude en fase response van de AFM cantilever de kracht (en dus hopelijk de bulk viscositeit) halen.

Er bestaan, afhankelijk van de meetmethode (dat is: Manier van aandrijven of feedback van het systeem), verschillende methoden om de dissipatieve kracht uit de gemeten response te halen. Wij gaan de verschillende methoden vergelijken en kijken met welke methode de dissipatie het beste gemeten kan worden.

Deze opdracht is een behoorlijke uitdaging en vereist heel wat inzicht in mechanische modellering (van een simpele harmonische oscillator tot complexere beam deflection modellen), maar het uiteindelijke resultaat zal een enorme impact in de wetenschappelijke wereld hebben.