High spatial resolution nanomechanical mapping of materials: from proteins to magnetic media

Autor: García Gisbert, Victor
Přispěvatelé: García García, Ricardo, UAM. Departamento de Física de la Materia Condensada, CSIC. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, García-García, Ricardo
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Biblos-e Archivo. Repositorio Institucional de la UAM
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Popis: A thesis submitted to the Universidad Autónoma de Madrid in accordance with the requirements of Doctor in Philosophy. Department of Condensed Matter Physics.
[EN] The Atomic Force Microscope (AFM) is one of the most powerful tools for the characterization of materials at the nanoscale. The development of new AFM methods based on the measurement of the tip-sample forces provide non-invasive and high-resolution imaging of structures at the nanometer, molecular and atomic level. It can also image the structure and properties of a great variety of soft and hard materials, such as cells, proteins, lipids, crystals, or polymers. The measurement can be performed in vacuum, air, liquid, and other media, making it ideal for the characterization of biological samples. One of the major achievements of the AFM is the measurement of interatomic forces between the tip and the sample, which is used to map with high-resolution the local properties of heterogeneous interfaces. The measurement of these properties is necessary to understand the behavior and principles of the materials at the nanoscale, which drive the development of novel nanomaterials and biological applications. Novel advanced AFM methods oriented for the measurement of nanoscale properties are under development with the following goals: (1) high-resolution measurements at the nanoscale, (2) quantitative measurement of local properties, (3) high sensitivity, (4) high-speed measurement, (5) independence of the measurement on the tip (6) absence of cross-talk with the topography, (7) measurement of properties not accessible with the current methods. The dynamic methods based on the excitation of a single normal eigenmode can provide with most of these conditions, but do not offer quantitative information of the properties of materials. Multifrequency methods, such as bimodal AFM, extend the capabilities of the AFM measurements. The bimodal AFM is based on the dual excitation of the first and second eigenmodes of the microcantilever and provides quantitative high-resolution measurement of viscoelastic properties. The bimodal AFM is arguably one of the faster methods for the characterization of nanomechanical properties, being intrinsically faster than other spectroscopy methods used for the measurement of nanomechanical properties. The technique is still under development, and new applications are needed to fully demonstrate the capabilities of the bimodal AFM. One of the objectives of this thesis is the application of the bimodal AFM technique to the characterization of the nanomechanical properties of polymers, proteins, lipids, collagen, and other materials. In addition, with the foundation laid by previous works, it is possible to extend the capabilities of the technique to study new properties such as magnetic interactions, adhesion or viscoelasticity, or to include mechanical corrections that further strengthen the accuracy of the nanomechanical measurements. In this thesis, a newly developed method capable of including the bottom effect correction and the measurement of long-range forces, such as magnetic forces, is presented. Another objective of this thesis is the combination of highspeed AFM with bimodal AFM, to further increase the speed of the nanomechanical mapping. The thesis compromises the development and application of novel bimodal AFM methods. The thesis is divided in 5 chapters
[ES] El microscopio de fuerza atómica (AFM, por sus siglas en ingles), es una de las más poderosas herramientas para la caracterización de materiales a la nanoescala. El desarrollo de nuevos métodos de AFM basados en la detección de las interacciones entre punta y muestra, provee de medidas no invasivas e imágenes de alta resolución de estructuras a escala nanométrica, molecular y atómica. También puede usarse para observar la estructura y propiedades de una gran variedad de materiales, tales como células, proteínas, lípidos, cristales o polímeros. Las observaciones también pueden ser llevadas a cabo en vacío, aire, líquido, y otros medios. Es por ello que la técnica es ideal para el estudio de muestras biológicas. Uno de los mayores logros del AFM es la medición de las fuerzas interatómicas entre la muestra y la punta, que es utilizado para realizar medidas de alta resolución de las propiedades locales de superficies heterogéneas. La medida de estas propiedades a la nanoescala es necesario para entender el comportamiento y principios de los materiales a la nanoescala, uno de los requisitos en el desarrollo de nuevos nanomateriales y aplicaciones biológicas. El desarrollo de nuevos métodos de AFM orientados a la medida de propiedades a la nanoescala está orientado a los siguientes objetivos: (1) medidas de alta resolución a la nanoescala (2) medidas cuantitativas de las propiedades locales, (3) alta sensibilidad, (4) alta velocidad, (5) independencia de las medidas con las propiedades de la punta, (6) independencia de la topografía y las mediciones, (7) medidas de propiedades no accesibles con los métodos actuales. Los métodos dinámicos basados en la excitación de un unico automodo normal cumplen con la mayoría de estas condiciones, pero no ofrecen información cuantitativa sobre las propiedades de la muestra. Los métodos de multifrecuencia, tales como el AFM bimodal, extienden la capacidad de las medidas de AFM. El método bimodal está basado en la doble excitación del primer y segundo modo de la micro palanca. Esta técnica es capaz de desarrollar medidas cuantitativas y de alta resolución de las propiedades viscoelásticas de la muestra. El AFM bimodal es uno de los métodos más rápidos para la medida de las propiedades mecánicas, superando la velocidad de otros métodos espectroscópicos en la medida de propiedades mecánicas. La técnica todavía se encuentra en desarrollo, y nuevas aplicaciones son necesarias para demostrar el potencial del AFM bimodal. Uno de los objetivos de esta tesis es la aplicación de la técnica bimodal a la obtención de mapas de propiedades mecánicas de alta resolución de polímeros, proteínas, lípidos, colágeno y otros materiales. Además, con ayuda del desarrollo teórico presentado previamente, es posible extender las aplicaciones de la técnica al estudio de nuevas propiedades tales como interacciones magnéticas, adhesión, o viscoelasticidad. Por otro lado, es posible considerar la inclusión de correcciones mecánicas que afectan a las medidas de AFM, para mejorar la precisión de la medida de las propiedades visco elásticas. En esta tesis, se presentará un nuevo método para la medida de muestra ultra finas, y la medida de propiedades magnéticas. Otro de los objetivos de esta tesis es la combinación de los métodos de AFM de alta-velocidad junto con el AFM bimodal, para aumentar la velocidad de medida de las propiedades mecánicas. La tesis incluye el desarrollo y la aplicación de nuevos métodos basados en el uso de la técnica de AFM bimodal. La tesis se divide en 5 capítulos.
Databáze: OpenAIRE
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