«Наносверление»

Зонды для АСМ, модифицированные УНТ

Работа выполнена в рамках задания «Разработка теоретических принципов и методики силовой спектроскопии для анализа единичной макромолекулы и исследование процессов взаимодействия углеродной нанотрубки с единичными молекулами полимеров, ДНК и биологическими клетками» (ГКПНИ Нанотех 1.8 (завершено в 2005 г.))

Разработана методика тестирования углеродных нанотрубок с помощью процедур силовой спектроскопии.

Построены теоретические силовые спектры отдельных углеродных нанотрубок.

Осуществлены эксперименты по визуализации молекул ДНК.

Выполнены эксперименты по химическому модифицированию зондов АСМ. Модифицирование было апробировано при использовании суспензии с наполнителем из углеродных наноструктур, в том числе нанотрубок. Подобраны и отработаны режимы модифицирования, при которых происходит очистка острия зондов, и режимы, при которых происходит формирование постепенно сужающегося нароста с минимальным радиусом закругления на конце.

Изображения биообъектов

Все клетки фиксировались на стеклянной подложке и сканировались в контактном режиме на воздухе.

Экспериментальный комплекс для исследования адгезионных и
реологических характеристик нано-объектов

Целью работы «Разработать и изготовить экспериментальный комплекс для определения адгезионных и реологических характеристик вязкоупругих полимерных нанокомпозитов, тонких пленок и биологических клеток при совмещении функций сканирующей зондовой и оптической микроскопии» (задание 1.08 ГНТП «Научные приборы») было создание комплекса на основе АСМ для проведения испытаний нанообъектов и разработка методического обеспечения для определения модуля упругости, времени релаксации; вязкости и тангенса механических потерь материала при наноиндентировании материалов.

Совмещение систем сканирующего зондового и оптического микроскопов обеспечивает удобство проведения измерений тонких пленок и биологических объектов на микроуровне, дает возможность осуществления дополнительного контроля формы индентора, а также облегчает процесс АСМ позиционирования наноуровне в микромасштабе за счет нанесения на поверхность образца микрометок.

Проведен выбор оптимальной конструкции блока наноиндентирования, в т.ч. оптимальной конструкции жидкостной ячейки. Методическое обеспечение к комплексу позволяет получать экспериментальные данные о поведении вязкоупругих и высокоэластичных материалов на основе наноиндентирования в статическом и динамическом режимах.

Разработка СБОМ

Целью НИОКР «Разработать и изготовить сканирующий ближнеполевой оптический микроскоп (СБОМ)» (задание 1.09 ГНТП «Научные приборы») выполнялась совместно с Институтом физики НАН Беларуси. В результате выполнения работ изготовлен модуль контроля поверхности на базе камертонного датчика. «Побочным продуктом» данной работы стал новый метод динамической атомно-силовой микроскопии на основе острия, закрепленного на камертонном датчике. Показано, что камертон с высокой добротностью может проявлять неустойчивое поведение; уменьшение его добротности позволяет увеличить устойчивость при измененном сигнале и, таким образом, повысить разрешение получаемых изображений.

Получены топографические изображения «жестких» и «мягких» образцов (оксида алюминия, полимеров, эритроцитов) с разрешением до молекулярного уровня (1-2 нм), что демонстрирует эффективность применения модифицированного атомно-силового микроскопа для исследования широкого класса материалов.

Разработана методика расчетного определения параметров, характеризующих взаимодействие между зондом и образцом (силы демпфирования, силы упругости), а также параметров, характеризующих вязкоупругие и прочностные свойства поверхностных слоев материалов (коэффициента вязкости и модуля сдвига), основанная на решении уравнения колебательного движения концов плеча кварцевого камертона и использовании данных динамической силовой спектроскопии.

Определены диапазоны параметров, характеризующих взаимодействие между зондом и образцом в цикле подвод-отвод зонда к поверхности образца для материалов с различной адгезионностью контакта зонд-образец (оксид алюминия, полиэтилен, волокна пластика), а также диапазоны изменения коэффициента вязкости и модуля сдвига материалов (силы демпфирования в диапазоне значений 0-14 нН, силы упругости в диапазоне значений 0-80 нН, коэффициента вязкости в диапазоне значений 0-120 Н•с/м2 и модуля сдвига в диапазоне значений 0-2•109 Н/м2). Установлено влияние фактора добротности на параметры взаимодействия между зондом и образцом.

Усовершенствованная ванна Ленгмюра-Блоджетт

Задание: «Разработать и изготовить экспериментальный комплекс для формирования на твердой поверхности моно- и мультимолекулярных композиционных покрытий различного функционального назначения» Совместно с ИХНМ НАНБ (академик В.Е. Агабеков, к.х.н. Г.К. Жавнерко)

Метод Ленгмюра – Блоджетт (ЛБ) состоит в погружении подложки в воду и последующем перенесении на нее монослоя органических молекул, образованного на поверхности воды. Уникальность метода заключается в том, что он позволяет создавать органические слои толщиной в одну молекулу на твердой подложке и наносить тонкие пленки на большие участки поверхностей. Разработаны алгоритмы, реализующие принцип послойного осаждения мономолекулярных слоев для получения мульти молекулярных пленок и нанообъектов. Спроектирован и изготовлен управляющий блок электроники. Создано программное обеспечение пользователя для управления работой комплекса, реализующего технологию Ленгмюра – Блоджетт.

Алгоритм действий:

• ввод параметров и типа процесса (LB, слой-за-слоем - LBL): состав раствора; скорость погружения; скорость подъема; время обработки, давление, скорость поджатия барьера;
• установка диапазона вертикального перемещения пластины;
• калибровать положения держателя подложки;
• ввод количества циклов и выполнение процессов в соответствии с заданными параметрами.

Программа модуля послойного осаждения ЛБ пленок выполняет следующие функции:

• cохранение параметров и данных эксперимента в базе данных с возможностью последующего просмотра их для изучения и анализа полученных результатов;
• отображения текущих параметров эксперимента, таких как поверхностное давление, положения барьера, положения диппера, площади пленки, статус программы;
• настройка обратной связи для оптимального движения барьера в режиме выделения пленки;
• управление режимом осаждения с указанием числа циклов окунания, длиной вертикального перемещения подложки, типа выделения, скорости перемещения подложки и поддерживаемого поверхностного давления системой обратной связи с помощью барьера
• снятие изотермы по заданному алгоритму.

Ручное управление диппером и барьером для осуществления калибровок датчика поверхностного натяжения, верхней и нижней позиций диппера, а также для очистки поверхности воды и нанесения ПАВ

В состав установки для получения пленок Ленгмюра-Блоджетт входят следующие основные блоки:

• емкость, в которой находится жидкость (субфаза), называемая ванной;
• поверхностные барьеры, движущиеся встречносогласованно по краям ванны;
• электронные весы Вильгельми, для измерения величины поверхностного давления в монослое;
• устройство перемещения подложки.

В результате проведенных исследований было получено, что наилучшей структурой при применении материала в виде мембран является ЛБ пленка поливинилпиридина, полученная при поверхностном давлении 7 мН/м.

Установлено, что поверхности, модифицированные слоями наночастиц оксидов цинка титана и кремния и обработанные октадецилтрихлорсиланом, приобретают супергидрофобные свойства, при этом не обработанные участки покрытия остаются гидрофильными, что позволяет создавать поверхности обладающие переменной смачиваемостью. Такой метод получения супергидрофобных материалов может быть использован для получения самоочищающихся поверхностей.