Towards a non-contact determination of the mechanical properties of soft condensed matter using AFM
Vers une détermination sans contact des propriétés mécaniques de matière condensée molle avec AFM
Résumé
Accurate determination of elasticity below the microscale through indentation measurements on soft materials is difficult as this is beyond the limits of conventional contact mechanical models. Surface energy contributions dominate the interaction and preclude accurate determination of bulk material elasticity. As a solution to this problem a non-contact measuring method in liquid was developed on the Surface Force Apparatus (SFA) that allows for an absolute determination of elasticity without solid-solid contact. While successful, the SFA has limitations in terms of compatible sample thickness and frequency range due to the macroscopic size of the employed probe. In this manuscript we report on implementation of the non-contact measuring technique on an Atomic Force Microscope (AFM platform), where smaller probes can be used and a higher frequency range is available. Conventional mechanical piezo acoustic excitation of the AFM probe was found to be here experimentally insufficient. A capacitive excitation scheme was developed to resolve this. To implement and explore this new excitation scheme a homemade AFM setup was rebuilt. The performance of this rebuild AFM is demonstrated by performing reference measurements on a rigid substrate in PDMS oil and deionized water. We additionally report on the investigation of p-NIPAM polymer brush surfaces using AFM, where we found a previously unreported bridging interaction below the lower critical solution temperature. Lastly we report on the investigation of quick clay, a soil type associated with landslides. We demonstrate the capability of AFM to investigate the clay microstructure in its natural water saturated state and explore the mechanical properties of clay on the micro- and nanoscale. These results open the door for afm to contribute in answering key questions in the eld of clay geology.
La détermination précise de l'élasticité en dessous de l'échelle microscopique par des mesures d'indentation sur des matériaux mous est difficile car elle dépasse les limites des modèles mécaniques de contact conventionnels. Les contributions d'énergie de surface dominent l'interaction et empêchent une détermination précise de l'élasticité en volume du matériau. Pour résoudre ce problème, une méthode de mesure sans contact dans un liquide a été développée sur le Surface Force Apparatus (SFA) permet une détermination absolue de l'élasticité sans contact solide-solide. Bien que réussie, le SFA présente des limites en termes d'épaisseur d'échantillons minces et de plage de fréquences en raison de la taille macroscopique de la sonde utilisée. Dans ce manuscrit, nous rendons compte de la mise en œuvre de la technique de mesure sans contact sur la plate-forme AFM (Atomic Force Micrsocope), où des sondes plus petites peuvent être utilisées et une gamme de fréquences plus large est disponible. L'excitation mécanique piézoacoustique conventionnelle de la sonde AFM s'est avérée insuffisante en milieu liquide et un schéma d'excitation capacitive a été développé pour résoudre ce problème. Pour implémenter et explorer ce nouveau schéma d'excitation, une configuration AFM “maison” a été reconstruite. Le potentiel de cet AFM est démontré en effectuant des mesures de référence sur un substrat rigide dans de l'huile pdms et de l'eau déionisée. Nous rendons également compte de l'étude des surfaces des brosses en polymère p-NIPAM à l'aide de AFM, où nous avons trouvé une interaction de pontage non signalée en dessous de la température de solution critique inférieure. Enfin, nous présentons de nouvelles mesures par AFM sur les argiles dites “quick clay”, constituant d’un type de sol sujet à des glissements de terrain impressionnants. Nous démontrons la capacité de l'AFM à étudier la microstructure de l'argile dans son état naturel saturé en eau et à explorer les propriétés mécaniques de l'argile à l'échelle micro et nanométrique. Ces résultats ouvrent la voie à l'AFM pour contribuer à répondre à des questions clés dans ce domaine de la géologie où les argiles sont des matériaux importants.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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