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Dokument Type: Doctoral Thesis
Title: Measurement of surface forces of adsorbed layers on smooth substrates
Authors: Franz, Volker 
Institute: Fachbereich 8, Chemie - Biologie 
Free keywords: Rasterkraftmikroskopie, Lipiddoppelschichten, Solvatationskräfte
Dewey Decimal Classification: 540 Chemie
GHBS-Clases: UZS
Issue Date: 2001
Publish Date: 2006
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.
URN: urn:nbn:de:hbz:467-1504
urn:nbn:de:hbz:467-1504
URI: https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/150
License: https://dspace.ub.uni-siegen.de/static/license.txt
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