Raport stiintific privind implementarea proiectului FUNCTIONALIZAREA CU PLASMA A SONDELOR NANOSCOPICE in perioada
octombrie, 2011 – octombrie, 2013
Contrtact CNCSIS, IDEI PN II, Grant no. 267/2011.
Director: Lucel Sirghi
1. Hidroxilarea sondelor AFM In cadrul proiectului s‐a conceput si realizat un reactor cu plasma a carui schema de principiu este data in Figura 1. Pe scurt, intr‐o camera de otel inoxidabil cu diametrul de 24 cm si inaltimea de 14 cm a fost montat, pe un support ceramic un catod din tantal cu diametrul de 10 cm. Camera este inchisa ermetic de un clopot de sticla cu inaltimea de 30 cm. In varianta noua a instalatiei, clopotul de sticla a fost inlocuit de o fereastra cu acces rapid. Reactorul este conectat la o pompa de vid uscata, care realizeza in camera acestuia presiunea minima de 0.1 mTorr, si la sursa de gaz de lucru (vapori de apa, aer, sau argon). Presiunea de lucru a fost variata intre 0.2 mTorr si 0.5 Torr. O sursa de current continuu a fost utilizata pentru a mentine o plasma in gazul de lucru (tensiunea pe descarcare variaza intre 340V si 800 V functie de presiunea si natura gazului) in scopul tratamentului de suprafata a sondelor si specimenelor AFM. S‐a folosit argonul pentru curatirea suprafetelor, mentinand astfel compozitia lor chimica de baza (siliciu sau nitrura de siliciu cu un strat nativ de oxid de siliciu la suprafata). Pentru generarea de grupari hidroxil pe suprafatele tratate s‐a folosit plasma in vapori de apa. Sonde comerciale de nitrura de siliciu au fost supuse timp de 10 minute acțiunii plasmei in vapori de apă la presiune de 20Pa (tensiunea de descarcare 470 V si curentul de descarcare de 3 mA). Tratamentul a dus la îndepărtarea stratului de molecule contaminante (hidrocarburi si PDMS din cutiile in care sunt tinute sondele AFM) adsorbite pe suprafata sondelor și a generat grupe hidroxil de suprafață (fapt ilustrat de spectrele XPS prezentate in Figura 2).
Figura 1. Hidroxilarea sondelor AFM a fost obținuta prin supunerea lor actiunii plasmei luminii negative a unei descarcari d.c. in vapori de apă la presiune joasa. Sondele AFM au fost montate pe o lamelă de sticlă (2 cm
× 2 cm × 2 mm) plasata pe suprafața catodului.
Hidroxilarea suprafetelor sondelor AFM a fost confirmată de analiza spectroscopica de fotoelectroni X (XPS). Figura 2 prezinta pickul O1s înregistrat pentru materialul de baza al sondei (Si3N4), suprafața sondei inainte de tratament, suprafața sondei imediat după tratamentul cu plasmă, și o săptămână după tratamentul cu plasmă. Pentru materialul de baza si suprafața netratata a sondelor AFM s‐a obtinut un pick O1s atribuit legaturilor Si‐O, în timp ce pentru suprafața tratată cu plasmă s‐a obtinut un pick O1s de convolutie atribuit legaturilor Si‐O (la 532,5 eV) și Si‐OH (la 531,8 eV). Deasemenea, Figura 2 arata ca densitatea de legaturi Si‐OH scade odata cu cresterea intervalului de timp scurs de la tratamentul cu plasmă. Aceasta inseamna ca in atmosfera de laborator suprafata nu este stabila datorita oxidarii si adsorbtiei de molecule contaminante (in special apa). Din acest motiv, sondele AFM hidroxilate in plasma s‐au folosit imediat dupa tratament in masuratori spectroscopice de forta atomica. In faza urmatoare de dezvoltare a proiectului, hydroxilarea suprafetelor sondelor AFM va fi urmata imediat (fara a mai trece prin
atmosfera) de procesul de silanizare. Acest lucru se va face imediat ce va fi posibila instalarea reactorului cu plasma in cutia cu manusi (glove box) ce asigura completa izolare a vaporilor toxici utilizati in proces.
Figura 2. Spectrele XPS ale starii O1s pentru suprafata sondei AFM netratata, materialul de baza (bulk Si3N4), si suprafata sondei AFM tratata in plasma de vapori de apa imediat dupa tratament si o saptamana dupa tratament.
2. Masuratori de forta de adeziune dintre sondele AFM hidroxilate si straturi lipidice pe support de mica
Sondele AFM hidroxilate astfel in plasmă au fost utilizate în măsurători de spectroscopie de forță atomic a
forței de adeziune dîntre vârfurile lor si straturi lipidice depuse pe mica (SLBs). S‐a arătat că forța de aderență creste
odata cu cresterea valorilor maxime ale forței de presiune pe contact și duratei contactului. Aceste efecte sunt
atribuite formarii histeretice de legături de hidrogen între gruparile OH de pe suprafata varfurilor sondei AFM și, cel
mai probabil, gruparile fosfat ale moleculelor de fosfatidilcolina din componenta stratului lipidic. Acest studiu
contribuie la ințelegerea proceselor chimice și fizice care influențează aderența membranelor celulare la diverse
suprafețe artificiale și naturale, lucru important in nanomedicină și ingineria biomaterialelor. Sunt cunoscute diferite
forțe specifice și non‐specifice care pot contribui la adeziunea celulară. Microscopie de forta atomica (AFM) este o
tehnica puternica pentru studiul acestor forțe, deoarece permite masurarea lor directa în mediu fiziologic la nivelul
unei singure molecule. In prezentul studiu, s‐a investigat formarea legăturii de hidrogen între un vârf de hidroxilat
AFM si un bistrat lipidic (SLB) din fosfatidilcolina în soluție apoasă de NaCl (0,1 M), la pH neutru.
Pentru prepararea bistraturilor lipidice pe suport de mica, fosfatidilcolina (Sigma Aldrich) cu puritate de 30%
a fost dizolvată în cloroform pentru a obține o soluție cu concentrația de lipide de 25mg/mL. Apoi, soluția a fost
evaporata în vid, in urma acestui proces rămanand o peliculă de lipidide in stare solidă. Aceasta a fost dizolvata într‐o
soluție de 0,1 M NaCl și HEPES 10mm la pH 7 și agitata cu un agitator vortex pentru a obține o soluție coloidală de
vezicule lipidice. Pentru a obține o soluție de vezicule unilamellare, soluția a fost sonicata pentru câteva minute. O
picătură de soluție de vezicule lipidice (50 microlitri) a fost depusa pe un suport de mică proaspăt clivata (11 mm ×
11 mm) și lăsata aproximativ 20 de minute, în aer liber. Apoi, proba a fost spălata și transferata in celula de lichid a
sistemului AFM (SOLVER PRO‐M de la AFM NT‐MDT). Celula de lichid a fost umpluta cu soluție apoasă de NaCl (0,1
M), la pH = 7. Masuratorile AFM (scanari de suprafata si masuratori de spectroscopie de forță atomica) au fost
efectuate cu ajutorul sondelor AFM de nitrura de siliciu (NCHV de la Veeco: constanta nominala de forta de 0,01 N/m
si varf piramidal cu raza de curbura nominală de 50 nm). O imagine AFM a topografiei suprafetei tipice a
specimenelor obtinute prin procedura descrisa mai sus este prezentată în Figura 3. Imaginea topografica arata
prezenta de defecte (zone neacoperite) în stratul bilipidic depus pe mica. Măsurătorile de spectroscopie de forță
atomică au fost efectuate in regiunile compacte complet acoperite de straturile bilipidice.
Măsurătorile de spectroscopie cu forță atomica au fost efectuate cu un instrument AFM comercial (NT‐MDT,
Rusia) controlat de calculator prin programul software dedicat al microscopului. Curbele de forta versus deplasarea
specimenului au fost achiziționate de la o viteză de
extindere a scanerului de 10 µm/s, 1 µm/s și,
respectiv, 200 nm/s, la diferite valori maxime ale
forței de presiune pe contact și diferite valori ale
timpului de contact. Curbele de forta versus
deplasare au fost transformate in curbe de forta
versus distanta varf‐specimen, așa cum se arată în
Figurile 4 a si b. Forța maximă de presiune pe
contact folosită în experimente a fost aleasă mai
mică decât forța de penetrare a SLB (Figura 4 b)
Figura 3. Imaginea topografica a stratului bilipidic depus pe suport de mica. Imaginea arata defecte in stratul depus (zone neacoperite )
a) b)
Figura 4. a) O curba tipica de forta versus distanta varf‐specimen indicand modul de determinare a fortei de adeziune (pull‐off force) dintre varful hidroxilat al probei AFM si bistratul lipidic. b) O curba de forta versus distanta varf‐specimen ce prezinta fenomenul de penetrare a stratului bilipidic (tranzitia A‐B) la o forta maxima de apasare pe contact de 1,2 nN.
Figura 5 prezintă dependența de forței de adeziune de valoarea maximă a forței presiune pe contact la două
valori ale vitezei de extindere a scanerului. Acest rezultat dezvăluie urmatoarele caracteristici: a)La valori scăzute ale
forței maxime de presiune pe contact (mai mica de 0,5 nN), nu există aderență a vârfului hidroxilat al sondei AFM la
SLB; b) La valori relativ mari ale forței maxime de presiune pe contact (mai mare de 0,5 nN) există o probabilitate
ridicată de a măsura valori nenule ale forței de adeziune dintre vârfului hidroxilat al sondei AFM si SLB; c)
Probabilitatea de inregistrare a unei forțe de adeziune diferită de zero creste cu scăderea vitezei de extindere a
scanerului (respectiv, creșterea timpului de contact); d) Valorile forței de adeziune sunt inegal răspândite într‐un
interval de variatie cuprins între 0 și 150 pN; e)Histograme ale valorilor forței de adeziune prezinta maxime de
frecvența de apariție la valori de 60 PN, 80 PN, și 100 pN; f) Indiferent de valoarea maxima a forței de presiune pe
contact si de valorile timpului de contact, în experimente de spectroscopie cu forță atomica efectuate cu sonde AFM
de nitrura de siliciu netratate in plasma (curățate de solvenți organici) s‐a observat valori nule ale forței de aderență.
Figura 5. Dependenta fortei de adeziune dintre varful hidroxilat al sondei AFM si stratul bilipidic pe suport de mica de valoarea maxima a fortei de presiune pe contact si de tipul de contact (viteza de extensie a scanerului)
Figura 6. Reprezentarea schematica a formarii Legaturilor de hidrogen dintre gruparile hidroxil de pe suprafata vafului sondei AFM si gruparile fosfat din capul hidrofilic a moleculelor de fostatidilcolina din componenta stratului bilipidic
Caracteristicile experimentale descrise mai sus pot fi explicate dacă forța adeziune între vârful hidroxilat AFM și bistraturile lipidice este atribuită formarii de legături de hidrogen între moleculele de hidroxil pe suprafața
vârfului sondei AFM și atomii de oxigen din gruparea fosfat a moleculelor de fosfatidilcolina (Figura 6). Numărul de legături de hidrogen crește cu forța aplicată de către vârful AFM privind SLB și timpul de contact. In acest sens datele experimentale obtinute pana acum precum si cele care vor fi obtinute in experimente ulterioare (cu o definire mai buna a tipului de stationare a sondei in contact cu suprafata stratului lipidic) vor fi prelucrate statistic in acord cu modelele histeretice statistice ale formarii legaturilor de hidrogen.
Aceste rezultate au fost publicate la doua conferinte internationale (8th NanoBio‐Europe Conference, 18‐20 iunie, 2012, Varese, Italia si 9th International Conference On Physics Of Advanced Materials, 20‐23 septembrie, Iasi, Romania).
3. Comportamentul stocastic al fortei de adeziune dintre varfurile sondelor AFM hidroxilate si straturi lipidice pe support de mica. Determinarea fortei legaturilor de hidrogen.
Cinetica formarii de legături de hidrogen între grupele hidroxil de la suprafața hidroxilata a sondelor AFM și
atomi de oxigen a gruparilor fosfat sau carbonil a moleculelor de fosfatidilcolina din bistraturile lipidice (SLB) depuse
pe mica a fost investigata in detaliu considerand doi parametri relevanti, timpul de contact si forta de apasare pe
contact, parametri ce au fost controlati experimental. Comportamentul stocastic de formare și de rupere a
legăturilor de hidrogen este accentuat de aria limitata a suprafetei de contact dintre vârful sondei AFM si bistratul
lipidic, interactiunea limitandu‐se la la un număr relativ mic de molecule. Numarul de molecule a fost estimat
teoretic considerand deformarea SLB descrisa de modelul de Das et al (Das, C; Sheikh, K. H.; Olmsted, P. D.; Connell,
S. D. Phys. Rev. E 2010 82, 041920.) În acest model, adâncimea de indentarea, z, este determinată de forța de
apasare conform relației:
2
2/4⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
−⋅
⋅⋅=
zhzRkF tAπ
, (1)
unde Rt este raza vârfului sondei AFM și h, grosimea stratului lipidic unic. Adâncimea de indentare determină o arie
de contact A = 2πRtz care contine un numar de molecule de fosfatidilcolina determinat de relatia:
azR
aAN t ⋅⋅==
π2, (2)
unde a este aria ocupata de o singura molecula. Neglijând variația lui a cauzată de expulzarea moleculelor din zona
de interacțiune, deducem că numărul de molecule de fosfatidilcolina care interacționează cu suprafața vârful AFM
creștere cu F1/2. O estimare pentru o forta de apasare F = 0,8 nN aplicata pe o sonda AFM cu Rt = 50 nm pe un SLB de
fosfatidilcolina cu h = 3 nm , a = 0,6 nm2 , și kA = 0,15 N/m determina valori de circa 1 nm pentru z și aproximativ 500
pentru N. Deși un număr relativ mare de molecule sunt în contact cu suprafața vârful AFM , doar câteva dintre ele
formează legături de hidrogen în timpul contactului . Conform datelor experimentale, la valori moderate ale F numai
10 % dintre măsurătorile individuale de spectroscopie de forță atomica arată formarea de una sau mai multe legături
de hidrogen . Aceasta fractie determina o probabilitate de formare de legături de hidrogen per moleculă mai mica de
0,1 % . Deoarece această probabilitate mică nu este determinată de o densitate scăzută a radicalilor hidroxil de pe
suprafața vârfului sondei AFM (care, conform spectrelor XPS prezentate in sectiunea precedenta, este puternic
hidroxilata), putem concluziona că trebuie să existe o barieră de energie ce împiedică formarea legăturilor de
hidrogen. În primul rând, observăm că, înainte de contact, site‐urile disponibile pentru formarea de legături de
hidrogen de pe suprafetele SLB și varful sondei AFM sunt ocupate de molecule de apa. Prin urmare, apasarea
vârfului sondei AFM pe SLB conduce la desfacerea legaturilor de hidrogen cu moleculele de apă în favoarea formării
de legarurilor de hidrogen între fosfatidilcolina și gruparile hidroxil de pe suprafața vârfului sondei AFM. Acest proces
este favorizat de către forța de împingere, F, prin efectul de scădere a barrierei de energie a procesului. Evident, o
creștere a timpului de contact conduce la o creștere a probabilității formării de legaturi de hidrogen.
În scopul determinarii valoarii forței de rupere pe legatura, F1, am aplicat metoda de Williams și colab
[Williams, J. M.; Taejoon, H.; Beebe, T. P. Jr. Langmuir 1996 12, 1291‐1295] pentru analiza statistică a valorilor fortei
de adeziune dintre vârful sondei AFM si SLB pe seturi de masuratori efectuate la aceleasi valori ale parametrilor F si tr
(forta de apasare la contact si timpul de contact). Metoda se bazează pe presupunerea că forta de adeziune
masurata in fiecare experiment de spectroscopie cu forta atomica este determinată de ruptura a unui număr mic
discret n de legaturi de hidrogen, fiecare legătură contribuind cu forța F1 la forta de adeziune datorata interactiunilor
nespecificenespecifice (van der Waals , electrostatica), F0 . Prin urmare ,forța de adeziune totala, Fa , este
01 FFnFa +⋅= (3)
Deoarece probabilitatea de formare a unei legături simple este foarte scăzută, se presupune că distribuția de probabilitate pentru n este distribuția Poisson:
µµ −⋅= en
nPn
!)( (4)
unde μ este valoarea medie a distribuției.Distribuția Poisson se caracterizează prin faptul că varianța, σ2, si valoarea ei medie sunt egale:
2σµ = (5)
Prin urmare, media și varianța fortei Fa sunt:
01 FFFa +⋅= µµ , (6)
respectiv
21
21
22 FFFa ⋅=⋅= µσσ . (7)
Cele doua formule determina urmatoarea dependenta lineara intre varianta si valoarea medie a fortei de adeziune:
1012 FFFFaFa ⋅−⋅= µσ (8)
Prin urmare, valorile fortelor de adeziune F1 si F0 pot fi găsite prin regresie liniară a dependentei valorilor varianței de valorile medii determinate in seturi distincte de masuratori pentru diferite valori ale parametrilor F si tr.
Pentru o analiză statistică a formării legături de hidrogen între varful hidroxilat al sondei AFM SLB am
efectuat mii de masuratori de spectroscopie de forță atomica pentru valori diferite ale parametrilor F și tr pe aceasi
suprafata (1,5 µ m × 1,5 µ m) a SLB. Figura 7 ilustreaza imprastierea valorilor masurate pentru forta de adeziune, Fa,
la diferite valori ale lui F si la două valori ale tr. Graficul arată că doar o mică parte a masuratorilor indica o forță
adezivă diferita de zero, aceasta parte crescand odata cu creșterea valorilor lui F și tr.
Figura 7 Comportamentul stochastic al forței de adeziune dintre varful hidroxilat al sondei AFM si SLB înregistrat într‐un număr de 5000 de măsurători individuale de spectroscopie de forță atomica, cu un timp de staționare in contact de 20 ms și, respectiv, 1 s.
Aceste date experimentale au fost sortate în funcție de valorile fortei aplicate pe contact, F, în intervale ∆F =
0,1 nN, fiecare interval cuprinzand câteva sute de măsurători. Apoi, valorile Fa înregistrate pentru fiecare interval au
fost folosite pentru a calcula valoarea medie și varianța fortei de adeziune. Figura 8 prezintă rezultatul acestei
analize ca dependența valorilor medie și deviație standard (bare de eroare) ale forței de adeziune in functie de F la
doua valori ale lui tr.
Figura 8. Dependenta valorilor medie și deviație standard ale fortei de adeziune de forța de apasare pe contact. Valorile medie și deviatie standard au fost calculate pe seturi de circa 300 de valorile ale lui Fa înregistrate pentru intervale de larime 0,1 nN ale lui F.
Valoarea medie și varianța forței de adeziune se supun dependentei lineare descrise de ecuația (8 ). Figura 9 prezinta
dependenta varianței de valoarea medie a forței de adeziune măsurată în seturi de experimente efectuate la același
valoare a lui F și valori diferite de tr (valori sunt indicate pe grafic în milisecunde). Datele experimentale corespund
bine cu dependența liniară prevazuta de ecuatia (8), coeficientul lor de corelare fiind R = 0,96. Fitarea lineara a
datelor experimentale indica valori de 43,2 pN și 0 pN pentru F1 și, respectiv, F0. Valoarea zero a lui F0 confirmă
faptul că suprafața hidroxilata a vârfului sondei AFM si suprafața SLB nu sunt încărcate electric în PBS la pH neutru.
Figura 9. Dependența variantei de valorea medie a forței de adeziune, asa cum a fost determinata din seturi de aproximativ 300 de masuratori la diferiti timpi de contact si la aceeasi forta de apasare pe contact, F = 0,8 nN.
Figura 10 prezintă comparativ dependenta lineara a variantei de valoarea medie a fortei de adeziune masurate cu
doua sonde AFM diferite (a caror varfuri au razele de curbura Rt = 10 nm, respectiv, 50 nm). Pentru vârful AFM
neascuțit (Rt = 50 nm) valorile medii și varianta ale Fa sunt mai mari ca urmare a existentei unui număr mai mare de
molecule care interacționează in zona de contact. Cu toate acestea ,distribuția Poisson a numărului de legături de
hidrogen formate întrevârful AFM și straturi lipidice duble este valabilă pentru ambele sonde AFM. Distribuția
punctelor pe grafic pentru varful AFM neascuțite este deplasata spre valori mai mari, dar respecta dependenta
lineara cu aproximativ acceasi panta. Același lucru se întâmplă si atunci când crește timpul de contact (a se compara
distributia punctelor pe dreapta obtinute pentru timpi de contact de 20 ms și, respectiv, 1 s).
Figura 10. Dependența varianței de valoarea medie a forței de adeziune dintre varful sondei AFM hidroxilate si SLB masurata în condiții experimentale diferite. Toate datele experimentale corespund bine unei dependențe liniare cu o pantă care determina o forță F1 = 45 ± 5 PN pentru legătura de hidrogen.
Aceste rezultate au fost publicate la Conferinta Nationala de Biofizica {A. Apetrei and L. Sirghi, Stochastic Behavior of Hydrogen Bond Formation Between Phospholipid Constituents Of Supported Lipid Membranes and Hydroxylated AFM Tips, 12th National Conference on Biophysics, with international participation, 13‐16th June 2013, Iasi, Romania (oral presentation)} si intr‐un articol trimis spre publicare in revista Societatii Americane de Chimie, Langmuir.
4. Investigarea mecanismemor de formare a meniscului de apa la contactul dintre suprafetele supehidrofile ale sondelor si specimenelor AFM de siliciu hidroxilate in plasma
In acest studiu, sonde si specimene AFM cu suprafete hidrofilizate prin tratament in plasma au fost folosite
in investigarea mecanismului de formare a puntii de apa la contactul nanoscopic al corpurilor. Astfel s‐a pus in
evidenta (pentru cazul suprafețelor foarte hidrofile) rolul dominant al transportului moleculeor de apă adsorbite pe
suprafațe in formarea meniscului de apa. Aceasta dinamica a formarii meniscului de apa este susținută de rezultatele
măsurătorilor AFM de forță capilară a meniscurilor de apa format la contactul glisant dintre vârful sondei AFM si
suprafata plana a unei placute de siliciu (ambele suprafete fiind curatite si hidrofilizate in plasma unei descarcari
electrice in aer). Figura 11 prezinta schematic acest experiment. Aceste măsurători au arătat că mișcarea rapidă a
regiunii de contact de contact împiedică formarea de meniscuri la echilibru termodinamic, deoarece fluxul
transportul apei de suprafață spre regiunea de contact este prea lent pentru a ajunge la meniscul în mișcare (Figura
12). Măsurătorile de spectroscpoie cu forta atomica au arătat o formare instantanee a unui menisc de apă prin
contopirea straturilor de apă adsorbite pe varful sondei AFM și pe suprafeța specimenului, urmată de evolutia in
timp a meniscului spre o stare staționară, corespunzătoare echilibrului termodinamic. Această dinamică a meniscului
de apă este indicată de evoluția în timp a forței capilare, care crește odată cu timpul de contact pana la o valoare
stationara de echilibru.
Aceste rezultate au fost publicate intr‐un articol in revista Societatii Americane de Chimie, Langmuir. {L.
Sirghi, Transport Mechanisms in Capillary Condensation of Water at a Single‐Asperity Nanoscopic Contact, Langmuir
28(5) 2558‐2566 (2012)}.
Figura 11. Formarea meniscului de apa la contactul Figura 12. Dependenta fortei capilare a meniscului de glisant dintre suprafetele hidrofile ale varfului si apa format la contactul glisant de viteza acestuia. specimenului AFM.
5. Modificarea propritatilor de suprafata a sondelor AFM prin acoperirea lor cu un strat subtire de diamondlike carbon (DLC)
Acoperirea suprafetelor sondelor AFM cu filme subtiri de diamond‐like carbon (DLC) confera acestora proprietati
speciale ca duritate mare, frecare mica, inertie chimica și biocompatibilitate. Aceste filme sunt foarte interesante
pentru aplicatii in biomedicina {G. Dearnaley, J. H. Arps, Surface & Coatings Technology 200 (2005) 2518 – 2524} și
tehnologia MEMS {K. Luo, Y. Q. Fu1, H. R. Le, J. A. Williams, S. M. Spearing and W. I. Milne, J. Micromech. Microeng.
17 (2007) S147–S163}. Deși aceste filme sunt numite DLC, ele sunt amorfe și mai putin dense si optic transparente
decat diamantul. Structura lor este un amestec între structura trigonală planară din grafit, care se formează prin
legături C‐C sp2, și structura tetragonala de diamant formata de legaturi C‐C sp3. Proprietățile specifice unui film DLC
sunt date de raportul dintre densitatea de legaturi sp3 și sp2. O densitate mare de legaturi sp3 asigura duritatea
suprafeței , dar si creșterea tensiunii in film si a fortelor de frecare. Pe de alta parte, o densitate scăzută de legaturi
sp3 duce la scaderea duritatii și a frecarii.
Pentru depunerea de filme DLC pe sonde AFM, am folosit o descarcare magnetron in puls de putere mare
(HiPIMS ) cu tinta de grafit. Parametrii descarcarii au fost p = 5 mTorr in Ar, durata pulsurilor de curent = 10 ms,
frecventa de repetitie a pulsurilor = 1.5 KHz, amplitudinea tensiunii pe puls = 900 V, valoarea medie a puterii = 100 W
si a intensitatii curentului de descarcare = 111 mA. Filmele depuse au fost caracterizate chimic prin analiza XPS.
Figura 13 prezinta spectrul XPS tipic pentru filmele DLC depuse. Deconvolutia picurilor din spectrul corespunzator
legaturilor de carbon determina o fractie de aproximativ 21% a legaturilor sp3.
Figure 13. Spectrul XPS al filmelor DLC depuse prin pulverizarea unei tinte de grafit in descarcarea HiPIMS. Deconvolutia picurilor corespunzatoare diferitelor tipuri de legaturi ale carbonului determina o fractie de legaturi sp3 de aproximativ 21%.
Topografia suprafetei filmelor DLC a fost investigata cu ajutorul microscopiei cu forta atomica. In figura 14 este
prezentata o imagine AFM a suprafetei unui film DLC (aria scanata este 1µm x 1µm) (a) si histograma valorilor
inaltimii z masurata pe suprafata filmului (b). Datele releva o suprafata foarte neteda caracterizata de o rugozitate
de numai 0,4 nm. Rugozitatea filmelor creste usor cu grosimea lor.
O problema importanta in acoperirea sondelor AFM prin depuneri de filme subtiri o constitue depunerea
neuniforma pe varf datorita factorului geometric foarte mare a varfurilor sondelor AFM. In plus, depunerea de filme
pe suprafete cu o curbura atat de mare (raza de curbura de ordinul a 10 nm) poate genera tensiuni foarte mari in
film, fapt ce conduce la aparitia de crapaturi si exfolierea filmului. Pentru a verifica omogenitatea si robustetea
filmelor depuse pe varful sondelor AFM am procedat la scanarea suprafetei unui specimen ce prezinta structuri
foarte ascutite (am folosit grila standard de siliciu TGT1 de la NT‐MDT ce prezinta muchii ascutite cu raza de curbura
la varf de aprox 5 nm) pentru a determina raza de curbura a varfului sondei AFM inainte si dupa depunere. Figura 15
prezinta profilul unei muchii ascutite a grilei standard inainte si dupa depunerea filmului DLC.
(a) (b)
Figura 14. Imaginea topografica (a) si histograma inaltimii punctelor de pe suprafata pentru un film DLC cu grosimea de 60 nm.
Figura 15. Profilul imaginilor unei muchii ascutite a grilei standard TGT1 (NT‐MDT, Rusia) masurat inainte si dupa depunerea unui film DLC de grosime 40 nm
Se observa o crestere a razei de curbura a imaginii muchiei ascutite cu aproximativ 20 nm, fapt ce indica prezenta
unui film pe varful sondei AFM cu aceasta grosime, care este totusi mai mica decat grosimea filmului depus pe baza
sondei AFM (40 nm). Conform acestui rezultat, putem concluziona ca depunerea pe varf a fost realizata cu succes,
dar ca grosimea filmului pe varf este mai mica decat cea a filmului de pe baza sondei.
Depunerea unui film DLC pe cantileverul sondei AFM modifica si proprietatile mecanice ale acestuia datorita
contributiei filmului la forta elastica si masa cantileverului. Astfel constanta de elasticitate a cantileveruylui este
determinata de relatia:
13
2111
3
3
4)(3
4' kk
lttwtE
lEwt
zFk z +=
++=
∆= , (9)
-3 -2 -1 0 1 2 30
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
frequ
ency
cou
nts
height [ nm ]
DLC 10.04_0
unde k este constanta de elasticitate a cantileverului inainte de depunere, k1, contributia filmului DLC la elasticitatea
cantileverului, w, grosimea cantileverului, t, grosimea cantileverului, t1, grosimea filmului, l, lungimea cantileverului,
E, modului lui Young pentru cantilever (pentru siliciu policrtistalin, E= 150 GPa) si E1, modulul de elasticitate a
filmului DLC (valori cuprinse intre 5 si 25 GPa). Masa efectiva a cantileverului se modifica si ea conform relatiei:
tlwmmmm ⋅⋅⋅+=+= 11 10033' ρ , (10)
unde m este masa rfrctiva a cantileverului inainte de depunere, m’, masa efectiva a cantileverului dupa depunere, m1
contributia filmului depus la masa efectiva a cantieleverului si ρ1 densitatea masica a filmului DLC. In aceste conditii
frecventa de rezonanta a cantileverului se modifica devenind:
(11)
Modificarile frecventei de rezonanta si a constantei de elasticitate a cantileverului pot fi masurate prin analiza
spectrului de zgomot termic al cantileverului. Figura 16 prezinta spectrul de putere a zgomotului termic al
cantileverului masurat inainte si dupa depunerea filmului DLC. Variatiile lui f si k datorate depunerii filmului pot fi
folosite la calculul densitatii masice si a modulului de elasticitate a acestuia, ρ1. Astfel pentru cazul cantileverului a
carui spectru de putere este prezentat in figura 16, ρ1 = 2300kg/m3 si = E1= 35 GPa.
Figura 16. Spectrele zgomotului termic al cantileverului unei sonde AFM (CSG 37 de la Mikromash) inainte (rosu) si
dupa depunerea (mov) filmului DLC.
In final, sondele AFM a caror suprafata a fost modificata prin depunerea de straturi DLC au fost folosite intr‐
un studiu al efectului umiditatii atmosferice asupra fortei de frecare. Rezultatul acestui studiu este ilustrat in figura
17, care prezinta dependenta fortei de frecare de forta de apasare pe contact pentru doua valori ale umiditatii.
Concluzia acestui studiu este ca la forte de apasare mici vaporii de apa adsorbiti pe suprafata filemelor de DLC joaca
rol de lubtrfiant. Expulzarea moleculelor de apa din zona de contact la valori mari a fortei de apasare in mediu cu
umiditate mare duce la cresterea drastica a fortei de frecare dintre cele doua suprafete DLC.
tttt
EE
ff11
11
00
1
31'
⋅+
⋅+⋅=
ρρ
Figura 17. Dependenta fortei de frecare de forta de apasare normala pe contact la contactul a doua suprafete DLC in
aer cu umiditate scazuta (3 %) si, respectiv, mare (48%).
Aceste rezultate au fost publicate la Conferinta Internationala de Fizica Plasmei si Aplicatii, Bucuresti, Romania { L.
Sirghi, V. Tiron, and M. Dobromir, High power impulse magnetron sputtering deposition of diamond‐like carbon thin
films on atomic force microscopy probes, 16th International Conference on Plasma Physics and Applications, 20‐25 th
June 2013, Magurele, Bucharest, Romania (oral presentation)}
6. Modificarea propritatilor de suprafata a sondelor AFM prin acoperirea lor cu un strat subtire de poly(tetrafluoroetilena) (CFx)
Acest studiu este dedicat investigarii utilizarii depunerii de filme subtiri de poly(tetrafluoroetilena) (CFx) pentru
modificarea proprietatilor de suprafata a sondelor AFM, urmarindu‐se in principal realizarea de sonde AFM cu
proprietati antiadezive pentru suprafetele specimenelor biologice ( in special, proteine) in aer si in lichid.
Depunerea de filme subtiri CFx a fost realizata intr‐o descarcare de radiofrecventa magnetron in argon la joasa
presiune (5 Pa) la putere mica (10‐30 W) in care s‐a utilizat o tinta de poly(tetrafluoroetilena) cu puritate mare
(Goodfellow). Compozitia si structura chimica a filmelor depuse a fost investigata prin analiza XPS. Figura 18 prezinta
deconvolutia picului de carbon la 287 eV in picuri reprezentand diferite legaturi ale carbonului in film. Din aceasta
analiza rezulta stochiometria filmului conform formulei:
(12)
Aceasta valoare mica a lui x este explicata de bombardamentul ionic al suprafetei filmului in timpul depunerii,
bombardament ce ar putea sa scoata atomii de F din film. In prezent facem modificari ale parametrilor de depunere
(marirea presiunii gazului de lucru la 50 Pa si a distantei de la tinta la substrat de la 10 cm la 15 cm) pentru a
imbunatati coeficientul stochiometric.
Figura 18. Spectrul XPS al legaturilor de carbon in filmele CFx depuse.
Topografia suprafetelor filmelor CFx depuse a fost investigata cu ajutorul microscopiei cu forta atomica. In figura 19
sunt prezentate imagini topografice ale suprafetelor a doua filme cu grosimi diferite. Se observa o crestere a
rugozitatii suprafetei filmelor odata cu cresterea grosimii lor. Acest lucru se datoreaza cresterii de particule (grains)
pe suprafata filmului, inaltimea acestora fiind in medie de 20 nm pentru filmele cu grosime de 60 nm, dar putand
ajunge si la 50 nm pentru filmele mai groase (> 120 nm). Primele masuratori pentru filme depuse la presiune mai
mare par sa indice o suprafata mult mai neteda.
Figura 19. Imagini AFM topografice si histogramele corespunzatoare pentru doua filme CFx de grosimi diferite.
Duritatea filmelor CFx depuse a fost studiata cu ajutorul experimentelor de nanoindentare (AFM). Imaginea
imprintata in suprafata filmului prin indentare cu varful piramidal triunghiular al unei sonde AFM a fost inregistrata
(Figura 20 a) si folosita pentru a calcula aria de contact, Smax, dintre varful indenterului si film in momentul exercitarii
fortei maxime de apasare, Fmax. Figura 20 b prezinta curba de forta inregistrata la o indentare. Duritatea a fost
calculata conform formulei:
. (13)
In cazul analizat Simp = 880 nm2 si Fmax = 350 nN, de unde rezulta Hn = 0,4 GPa.
impn S
FH max=
a) b)
Figura 20. a)Imaginea si profilul inaltimii amprentei lasate de indentarea filmului cu un varf piramidal triunghiular al unei sonde AFM (NSG 11 from NT‐MDT). B) curbele de forta masurate pe durata indentarii.
In prezent sunt in desfasurare experimente de masura a fortelor de adeziune intre suprafetele acoperite cu filme subtiri de CFx in aer si in apa. Deasemenea sunt efectuate experimente de masura a fortelor de interactiune dintre proteine (colagen) si varfurile sondelor AFM modificate chimic prin acoperirea suprafetei lor cu un strat subtire de CFx.
Aceste rezultate partiale au fost prezentate la 5th Central European Symposium on Plasma Chermistry (L. Sirghi, V. Tiron, V. Anita si M. Dobromir, Poly(tetrafluoro ethylene) coatings for atomic microscopy probes, 5th Central European Symposium of Plasma Chemistry, 25‐29 august, 2013, Balatonalmady, Hungary.
7. Lucrari ISI publicate (cu aknowledgement) [1] L. Sirghi, Transport Mechanisms in Capillary Condensation of Water at a Single‐Asperity Nanoscopic Contact, Langmuir 28(5) 2558‐2566 (2012)
[2] V. Tiron, L. Sirghi, G. Popa, Control of aluminum doping of ZnO:Al thin films obtained by high‐power impulse magnetron sputtering, Thin Solid Films 520 (13) 4305‐4309 (2012).
[3] A. Apetrei, L. Sirghi, Stochastic adhesion of hydroxylated atomic force microscopy tips to supported lipid bilayers, submitted to Langmuir.
8. Prezentari la conferinte (cu aknowledgement)
[1] L. Sirghi, A. Apetrei, T. Luchian, Adhesion of a hydroxilated atomic force microscopy probe to lipid membranes, 8th
NanoBio – Europe conference, 18‐20 iunie 2012, Varese, Italia (poster presentation).
[2] L. Sirghi, A. Apetrei, M. Dobromir, Hydroxylation of atomic force microscopy probes by H2O plasma Treatment, 9th International Conference On Physics Of Advanced Materials, 20‐23 septembrie 2012, Iasi, Romania. (oral presentation)
[3] L. Sirghi, Capillary force at single‐asperity nanoscopic contacts, 10 years of nanotechnology development in Republic of Moldova, 22‐23 octombrie 2012, Balti, Republica Moldova (oral presentation)
[4] A. Apetrei and L. Sirghi, Stochastic Behavior of Hydrogen Bond Formation Between Phospholipid Constituents Of Supported Lipid Membranes and Hydroxylated AFM Tips, 12th National Conference on Biophysics, with international participation, 13‐16th June 2013, Iasi, Romania (oral presentation)
[5] D. Ciumac, A. Apetrei, L. Sirghi, T. Luchian, Mechanical properties of supported lipid bilayers. An Atomic Force Microscopy indentation approach, 12th National Conference on Biophysics, with international participation, 13‐16th June 2013, Iasi, Romania (poster presentation)
[6] L. Sirghi, V. Tiron, and M. Dobromir, High power impulse magnetron sputtering deposition of diamond‐like carbon thin films on atomic force microscopy probes, 16th International Conference on Plasma Physics and Applications, 20‐25 th June 2013, Magurele, Bucharest, Romania (oral presentation)
[7] L. Sirghi, V. Tiron, V. Anita si M. Dobromir, Poly(tetrafluoro ethylene) coatings for atomic microscopy probes, 5th Central European Symposium of Plasma Chemistry, 25‐29 august, 2013, Balatonalmady, Hungary (oral presentation)
20 octombrie, 2013 Director proiect,
Conf. Dr. Hab. Lucel Sirghi