pl_goraZ.png
Zdj3.png

Grupa badawcza — Nanomechanika i nanoadhezja

Zjawisko adhezji występuje powszechnie. Jest to przyleganie warstw wierzchnich róż­nych ciał pod wpływem sił przyciągania pomiędzy nimi. Pełni ono istotną rolę w przemyśle (kleje, farby, smary, detergenty, leki, etc.), życiu codziennym oraz nauce. Jest również szczególnie istotne w wielu procesach biofizycznych oraz biochemicznych, ponieważ oddziaływania adhezyjne są warunkiem koniecznym funkcjonowania komórek w organizmach. Wiele badań wskazuje na to, że kluczem do zrozumienia zjawiska adhezji jest badanie tzw. nanoadhezji, czyli adhezji w skali nanometrowej. Jej poznanie jest dzisiaj dużym wyzwaniem dla inżynierów, biologów i naukowców.

Podczas badania zjawiska adhezji w makroskali główny problem stanowi znaczne pole powierzchni stykanych ciał, jak również tzw. propagacja linii zerwania. Uniemożliwia to charakteryzację pojedynczych wiązań adhezyjnych. Brakowało również teorii opisującej „zachowanie” zjawiska adhezji w nanoskali oraz urządzeń, których zdolność rozdzielcza umożliwiłaby pomiar sił adhezji rzędu 10-7-10-12 N. Wraz z budową mikroskopu sił atomowych (AFM) oraz powstaniem modeli Bella-Evansa i Dudko-Hummera-Shabo, opisujących zależność siły zerwania wiązania od szybkości jego obciążania (dynamiczna spektroskopia sił, DFS), szczegółowe badanie nanoadhezji stało się możliwe.

Celem badań jest pomiar i szczegółowa charakteryzacja w sposób ilościowy pojedynczych wiązań adhezyjnych typu van der Waalsa, wodorowych, elektrostatycznych oraz oddziaływań kapilarnych dla bardzo małych kontaktów, rzędu nm2 (nanoadhezja). Badane są różnego rodzaju kontakty adhezyjne, w szczególności pomiędzy samoorganizującymi się monowarstwami molekularnymi (SAM) a azotkowo-krzemowymi ostrzami AFM (również z ich funkcjonalizacją w SAM) (rys. 1). Praca ma charakter eksperymentalny, a przedmiotem jej badań jest wpływ szybkości separacji, a dokładniej szybkości obciążania rf (szybkość zmian przyłożonej siły, N/s), nano-kontaktu adhezyjnego, temperatury oraz wilgotności względnej na wartość siły adhezji. Badania są wykonywał przede wszystkim za pomocą zmodyfikowanego AFM (całkowity zakres rf po modyfikacji to około 10-1  – 107 nN/s – komercyjne urządzenia AFM dysponują 3-4 rzędami wielkości) w trybie dynamicznej spektroskopii sił. AFM jest połączony z komorą o regulowanej wilgotności względnej (rys. 2).

Wyniki badań mogą mieć duże znaczenie aplikacyjne. Badania innych autorów pokazują, że siły adhezji pozostają niedoszacowanie w projektowaniu urządzeń mikro- i nano-elektromechanicznych (MEMS i NEMS). Większość usterek w tych urządzeniach spowodowanych jest zbyt dużą wartością adhezji występującą pomiędzy ich elementami (tu również pojawiają się nano-kontakty), której wcześniej nie przewidziano. Pokrycie powierzchni elementów MEMS i NEMS tiolami z grupą końcową CH3 znacznie redukuje oddziaływania adhezyjne w tych urządzeniach i może zostać użyte jako „antyadhezja”. Zatem badanie sił adhezji w funkcji szybkości separacji, temperatury oraz wilgotności względnej ma wielkie znaczenie, dostarczając nowych i istotnych informacji odnośnie poprawy jakości oraz zmniejszenia awaryjności urządzeń MEMS i NEMS.

Rys. 1. Model badanego układuRys. 2. Mikroskop AFM przystosowany do badań w kontrolowanej wilgotności