Influence of Particle Size, Applied Compression, and Substratum Material on Particle-Surface Adhesion Force Using the Centrifuge Technique

The centrifuge technique was used to investigate the influence of particle size, applied compression, and substrate material (stainless steel, glass, Teflon, and poly(vinyl chloride)) on particle-surface adhesion force. For this purpose, phosphatic rock (rho(p) = 3090 kg/m(3)) and manioc starch particles (rho(p) = 1480 kg/m(3)) were used as test particles. A microcentrifuge that reached a maximum rotation speed of 14 000 rpm and which contained specially designed centrifuge tubes was used in the adhesion force measurements. The curves showed that the adhesion force profile followed a normal log distribution. The adhesion force increased linearly with particle size and with the increase of each increment of compression force. The manioc starch particles presented greater adhesion forces than the phosphatic rock particles for all particle sizes studied. The glass substrate showed a higher adherence than the other materials, probably due to its smoother topographic surface roughness in relation to the other substrata.

Mapping of adhesion forces on soil minerals in air and water by atomic force spectroscopy (AFS)

The adhesion force between an atomic force microscope (AFM) tip and sample surfaces, mica and quartz substrates, was measured in air and water. The force curves show that the adhesion has a strong dependence on both the surface roughness and the environmental conditions surrounding the sample. The variability of the adhesion force was examined in a series of measurements taken at the same point, as well as at different places on the sample surface. The adhesion maps obtained from the distribution of the measured forces indicated regions contaminated by either organic compounds or adsorbed water. Using simple mathematical expressions we could quantitatively predict the adhesion force behavior in both air and water. The experimental results are in good agreement with theoretical calculations, where the adhesion forces in air and water were mostly associated with capillary and van der Waals forces, respectively. A small long-range repulsive force is also observed in water due to the overlapping electrical double-layers formed on both the tip and sample surfaces.

Plasma polymerization of C[subscript 4]F[subscript 8] thin film on high aspect ratio silicon molds

High aspect ratio polymeric micro-patterns are ubiquitous in many fields ranging from sensors, actuators, optics, fluidics and medical. Second generation PDMS molds are replicated against first generation silicon molds created by deep reactive ion etching. In order to ensure successful demolding, the silicon molds are coated with a thin layer of C[subscript 4]F[subscript 8] plasma polymer to reduce the adhesion force. Peel force and demolding status are used to determine if delamination is successful. Response surface method is employed to provide insights on how changes in coil power, passivating time and gas flow conditions affect plasma polymerization of C[subscript 4]F[subscript 8].

Electrostatic force microscope for probing surface charges in aqueous solutions.

A scanning force microscope was converted to an electrostatic force microscope by charging the usually neutral cantilever with phospholipids. The electrostatic force microscope was used to study surface electrostatic charges of samples in aqueous solutions. Lysozymes, DEAE-Sephadex beads, 3-propyltriethoxysilane-treated glass and mica were imaged in water or phosphate buffer with electrostatic force microscopy. The adhesion force measured when a charged probe and oppositely charged specimen interacted was up to 500 times greater than when a bare probe was used. This dramatic increase in measured adhesion force can be attributed to the energy required to break the salt bridges formed between the charged probe and the specimen. The use of phospholipids to functionalize the cantilever tip allows the incorporation of other biomolecules and ligands that can be used as biologically specific tips (e.g., receptors, drugs) for the study of intermolecular interactions.

Characterization of resistivity of Sb2S3 semiconductor nanowires by conductive AFM and in-situ methods

Conductive AFM and in situ methods were used to determine contact resistance and resistivity of individual Sb2S3 nanowires. Nanowires were deposited on oxidized Si surface for in situ measurements and on Si surface with macroelectrodes for conductive AFM (C-AFM) measurements. Contact resistance was determined by measurement of I(V) characteristics at different distances from the nanowire contact with the macroelectrode and resistivity of nanowires was determined. Sb2S3 is a soft material with low adhesion force to the surface and therefore special precautions were taken during measurements.

Satellite protection and drag reduction using a purging gas flow

We have used the DSMC method to determine contamination (impingement of atmospheric molecules) and the aerodynamic forces on a cold satellite when a protective “purge gas” is ejected from a sting protruding ahead of the satellite. Forward ejection of the purge gas provides the greatest protection for a given mass of purge gas and the aerodynamic drag can be significantly reduced, thus compensating for the backward reaction from the forward ejection. If the purge gas is ejected backward from the sting (towards the satellite) the ejection provides thrust and the net retarding force can be reduced to zero. Contamination can be reduced and the mass of purging gas is less than the mass of conventional rocket propellant required to maintain the orbit of an unprotected satellite.

Measurement of repulsive forces between charged phospholipid bilayers

Electrostatic forces between membranes containing charged lipids were assumed to play an important role in influencing interactions between membranes long before quantitative measurements of such forces were available. ~ur measurements were designed to measure electrostatic forces between layers of lecithin charged with lipi~s carrying ionizable head groups. These experiments have shown that the interactions between charged lipid bila.yere are dominated by electrostatic forces only at separations greater than 30 A. At smaller separations the repulsion between charged bilayers is dominated by strong hydration forces. The net repulsive force between egg lecithin bilayers containing various amounts of cherged lipids (phosphatidylglycerol (PG) 5,10 ano 50 mole%, phosphatidyli. nosi tol (PI) 10 mole% and sodium oleate (Na-Ol) 3,5 and 10 mole%, where mole% gives the ratio of the number of moles' of .charged lipid to the total number of moles of all lipids present in the sample) was stuoied with the help ('If the osmotic streas technique described by LeNeveu et aI, (1977). Also, the forces between pure PG were j_nvestigated in the same manner. The results have been plotted showing variation of force as a function of bilay- _ er separation dw• All curVes 90 obtained called force curves, were found to be similar in sha.pe, showing two distinct regions, one when dw<.30 A is a region cf very rapid iiivariation of force with separation ( it is the region dominated by hydre,tion force) and second when dw> 40 A is a region of very slow variation of force with separB.tion ( it is the region dominated by the electrostatic force). Between these two regions there exists a transition area in which, in most systems studied, a phase separation of lipids into fractions containing different amounts of charged groups, was observed. A qualitative analysis showed that our results were v/ell described by the simple electrostatic double -le.yer theory. For quantitative agreement between measured and calculated force curves however, the charge density for the calculations had to be taken as half of that given by the number density of charged lipids present in the lecithin bilayers. It is not clear at the moment what causes such low apparent degree of ionization among the charged head groups, and further study is needed in this area.

On the control of vibrations using synchrophasing

This paper describes the application of a technique, known as synchrophasing, to the control of machinery vibration. It is applicable to machinery installations, in which several synchronous machines, such as those driven by electrical motors, are fitted to an isolated common structure known as a machinery raft. To reduce the vibration transmitted to the host structure to which the machinery raft is attached, the phase of the electrical supply to the motors is adjusted so that the net transmitted force to the host structure is minimised. It is shown that while this is relatively simple for an installation consisting of two machines, it is more complicated for installations in which there are more than two machines, because of the interaction between the forces generated by each machine. The development of a synchrophasing scheme, which has been applied to propeller aircraft, and is known as Propeller Signature Theory (PST) is discussed. It is shown both theoretically and experimentally, that this is an efficient way of controlling the phase of multiple machines. It is also shown that synchrophasing is a worthwhile vibration control technique, which has the potential to suppress vibration transmitted to the host structure by up to 20 dB at certain frequencies. Although the principle of synchronisation has been demonstrated on a one-dimensional structure, it is believed that this captures the key features of the approach. However, it should be realised that the mode-shapes of a machinery raft may be more complex than that of a one-dimensional structure and this may need to be taken into account in a real application. © 2013 Elsevier Ltd.

Mechanics and dynamics of liposomes and cells studied by QCM and ECIS

The present thesis introduces a novel sensitive technique based on TSM resonators that provides quantitative information about the dynamic properties of biological cells and artificial lipid systems. In order to support and complement results obtained by this method supplementary measurements based on ECIS technique were carried out. The first part (chapters 3 and 4) deals with artificial lipid systems. In chapter 3 ECIS measurements were used to monitor the adsorption of giant unilamellar vesicles as well as their thermal fluctuations. From dynamic Monte Carlo Simulations the rate constant of vesicle adsorption was determined. Furthermore, analysis of fluctuation measurements reveals Brownian motion reflecting membrane undulations of the adherent liposomes. In chapter 4 QCM-based fluctuation measurements were applied to quantify nanoscopically small deformations of giant unilamellar vesicles with an external electrical field applied simultaneously. The response of liposomes to an external voltage with shape changes was monitored as a function of cholesterol content and adhesion force. In the second part (chapters 5 - 8) attention was given to cell motility. It was shown for the first time, that QCM can be applied to monitor the dynamics of living adherent cells in real time. QCM turned out to be a highly sensitive tool to detect the vertical motility of adherent cells with a time resolution in the millisecond regime. The response of cells to environmental changes such as temperature or osmotic stress could be quantified. Furthermore, the impact of cytochalasin D (inhibits actin polymerization) and taxol (facilitate polymerization of microtubules) as well as nocodazole (depolymerizes microtubules) on the dynamic properties of cells was scrutinized. Each drug provoked a significant reduction of the monitored cell shape fluctuations as expected from their biochemical potential. However, not only the abolition of fluctuations was observed but also an increase of motility due to integrin-induced transmembrane signals. These signals were activated by peptides containing the RGD sequence, which is known to be an integrin recognition motif. Ultimately, two pancreatic carcinoma cell lines, derived from the same original tumor, but known to possess different metastatic potential were studied. Different dynamic behavior of the two cell lines was observed which was attributed to cell-cell as well as cell-substrate interactions rather than motility. Thus one may envision that it might be possible to characterize the motility of different cell types as a function of many variables by this new highly sensitive technique based on TSM resonators. Finally the origin of the broad cell resonance was investigated. Improvement of the time resolution reveals the "real" frequency of cell shape fluctuations. Several broad resonances around 3-5 Hz, 15-17 Hz and 25-29 Hz were observed and that could unequivocally be assigned to biological activity of living cells. However, the kind of biological process that provokes this synchronized collective and periodic behavior of the cells remains to be elucidated.

Untersuchung der Adhäsionskräfte in interaktiven Pulvermischungen zur Inhalation und deren Veränderung in Abhängigkeit von der Dichtigkeit der Verpackung

Die Untersuchung der Adhäsionskräfte mit Colloid Probe Technik, einer Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy=AFM), an erzeugten Carrier- und Wirkstoffkristallen bei Laborbedingungen und unter Einfluss der Luftfeuchte zeigte, dass die Adhäsion von Tiotropiumbromid Monohydrat an Mannitol deutlich höher ist als an Lactose Monohydrat. Die Kohäsionskräfte des Wirkstoffes sind stärker als die Adhäsionskräfte an Carriermaterialien. Auf dieser Grundlage wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine Mischung mit Mannitol als Carrier eine kleinere Feinpartikeldosis liefert als eine Mischung mit Lactose. Diese Theorie wurde an interaktiven Pulvermischungen unter Variation von verschiedenen Einflussfaktoren überprüft. Die binare und ternäre Lactose-basierte Mischung lieferte unabhängig vom Kapselmaterial (Gelatine- und Polyethylenkapsel) eine höhere Feinpartikeldosis als die entsprechenden Mannitol-basierten Formulierungen. Die ternäre Komponente bewirkte nur bei Mannitol-basierten Mischungen eine Verbesserung der Feinpartikeldosis. Die detaillierte Untersuchung der aerodynamischen Verteilung ternärer Mischungen zeigte, dass das Kapselmaterial nur unter dem Einfluss der Luftfeuchte und Permeabilität der Blisterverpackung die interpartikulären Wechselwirkungen beeinflusst. Mischungen mit Mannitol als Carrier lieferten unabhängig vom Kapselmaterial, von Luftfeuchte/Lagerungsbedingungen und Permeabilität der Blisterverpackung eine kleinere Feinpartikeldosis als Mischungen mit Lactose als Carrier. Die Carrierart, die Permeabilität der Blisterverpackung und die Luftfeuchte wurden als Haupteinflussfaktoren auf die aerodynamischen Eigenschaften identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass AFM einen wertvollen Beitrag zum Verständnis der interpartikulären Wechselwirkungen leistet und aufgrund prädiktiver Eigenschaften hilfreich in der Entwicklung inhalativer Darreichungs-formen sein kann.

The effect of elastic modulus and equilibrium vapor adsorption on capillary forces

Die Kapillarkraft entsteht durch die Bildung eines Meniskus zwischen zwei Festkörpen. In dieser Doktorarbeit wurden die Auswirkungen von elastischer Verformung und Flϋssigkeitadsorption auf die Kapillarkraft sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops wurde die Kapillarkraft zwischen eines Siliziumoxid Kolloids von 2 µm Radius und eine weiche Oberfläche wie n.a. Polydimethylsiloxan oder Polyisopren, unter normalen Umgebungsbedingungen sowie in variierende Ethanoldampfdrϋcken gemessen. Diese Ergebnisse wurden mit den Kapillarkräften verglichen, die auf einem harten Substrat (Silizium-Wafer) unter denselben Bedingungen gemessen wurden. Wir beobachteten eine monotone Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck (P) fϋr P/Psat > 0,2, wobei Psat der Sättigungsdampfdruck ist.rnUm die experimentellen Ergebnisse zu erklären, wurde ein zuvor entwickeltes analytisches Modell (Soft Matter 2010, 6, 3930) erweitert, um die Ethanoladsorption zu berϋcksichtigen. Dieses neue analytische Modell zeigte zwei verschiedene Abhängigkeiten der Kapillarkraft von P/Psat auf harten und weichen Oberflächen. Fϋr die harte Oberfläche des Siliziumwafers wird die Abhängigkeit der Kapillarkraft vom Dampfdruck vom Verhältnis der Dicke der adsorbierten Ethanolschicht zum Meniskusradius bestimmt. Auf weichen Polymeroberflächen hingegen hängt die Kapillarkraft von der Oberflächenverformung und des Laplace-Drucks innerhalb des Meniskus ab. Eine Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck hat demnach eine Abnahme des Laplace-Drucks mit zunehmendem Meniskusradius zur folge. rnDie analytischen Berechnungen, fϋr die eine Hertzsche Kontakt-deformation angenommen wurde, wurden mit Finit Element Methode Simulationen verglichen, welche die reale Deformation des elastischen Substrats in der Nähe des Meniskuses explizit berϋcksichtigen. Diese zusätzliche nach oben gerichtete oberflächenverformung im Bereich des Meniskus fϋhrt zu einer weiteren Erhöhung der Kapillarkraft, insbesondere fϋr weiche Oberflächen mit Elastizitätsmodulen < 100 MPa.rn

Wet bioadhesion in tree frogs

Viele Tiere wie etwa Geckos oder Laubfrösche können mittels ihrer Haftscheiben an Oberflächen kleben. Diese Haftscheiben ermöglichen es den Tieren, sich während ihrerrnFortbewegung an Oberflächen anzuheften und wieder zu lösen unabhängig von denrnvorherrschenden Umweltbedingungen. Frösche besitzen mikro- und nanostrukturierternsowie charakteristisch geformte Haftscheiben an Finger- und Zehenenden. Ihre besonderernevolutionäre Errungenschaft, sich stark und zugleich reversibel in sowohl trockenen alsrnauch feuchten Umgebungen anzuhaften, hat die Wissenschaft zur Nachahmung und Untersuchungrndieser Strukturen inspiriert. Zum besseren Verständnis der Mechanismen vonrnAnhaftung und Loslösung bei Laubfröschen wurden weiche, elastische und mikrostrukturierternOberflächen hergestellt, indem PDMS (Polydimethylsiloxan) auf einer Siliziummaskernmit Hexagonstruktur aufgetragen und vernetzt wurde. Dadurch wurden Anordnungenrnvon hexagonalen Mikrosäulen mit spezifischen geometrischen Eigenschaften undrnunterschiedlichen Kontaktgeometrien (normale, flache Form, T-Form und konkave Formrnder Säulenenden) erhalten. Um den Einfluss der van-der-Waals, hydrodynamischen,rnKapillar-und Adhäsionskräfte zu verstehen, wurden verschiedene experimentelle Ansätzernverfolgt: Die auf eine einzelne Säule wirkenden Adhäsionskräfte wurden mittelsrnRasterkraftmikroskopie gemessen. Dazu wurden speziell hergestellte kolloidale Sensorenrnverwendet. Diese Experimente wurden sowohl mit als auch ohne Flüssigkeitsfilm auf derrnSäule durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten den Beitrag von Kapillarkraft und direktenrnKontaktkräften zur Adhäsionskraft bei Vorliegen eines Flüssigkeitsfilms. Die Adhäsionrnfiel umso größer aus, je weniger Flüssigkeit zwischen Sensor und Säule vorhanden war.rnIm Falle einer trockenen Adhäsion zeigte die Säule mit T-Form die höchste Adhäsion. Darndie Haftscheiben der Laubfrösche weich sind, können sie dynamisch ihre Form ändern,rnwas zu einer Änderung der hydrodynamischen Kraft zwischen Scheibe und Oberflächernführt. Der Einfluss der Oberflächenverformbarkeit auf die hydrodynamische Kraft wurderndaher am Modellsystem einer Kugel untersucht, welche sich einer weichen und ebenenrnOberfläche annähert. Dieses System wurde sowohl theoretisch über die Simulation finiterrnElemente als auch experimentell über die Messung mit kolloidalen Sonden untersucht.rnSowohl experimentelle Ergebnisse als auch die Simulationen ergaben eine Abnahme derrnhydrodynamischen Kraft bei Annäherung des kolloidalen Sensors an eine weiche undrnelastische Oberfläche. Beim Entfernen der Sensors von der Oberfläche verstärkte sichrndie hydrodynamische Anziehungskraft. Die Kraft, die zur Trennung eines Partikels von einer Oberfläche in Flüssigkeit notwendig ist, ist für weiche und elastischen Oberflächenrngrößer als für harte Oberflächen. In Bezug zur Bioadhäsion bei Laubfröschen konnternfestgestellt somit festgestellt werden, dass sich der hydrodynamische Anteil zur feuchtenrnBioadhäsion aufgrund der weichen Oberfläche erhöht. Weiterhin wurde der Einflussrndes Aspektverhältnisses der Säulen auf die Reibungskraft mittels eines kolloidalen Sensorsrnuntersucht. Gestreckte Säulen zeigten dabei eine höhere Reibung im Vergleich zu.rnSäulen mit einem gestreckten Hexagon als Querschnitt.

Estudio in vitro de la resistencia adhesiva en la interfaz de resina entre la base del pad y el resinoso utilizado en cementación indirecta de la técnica lingual

Con el fin de aminorar retrasos por descementación de cualquier accesorio durante el tratamiento de Ortodoncia Lingual, se ha considerado que la fuerza de adhesión es muy importante, especialmente cuando está ubicada en las diferentes interfaces presentes entre el bracket y la resina del PAD; entre la resina del PAD y el cemento resinoso fotopolimerizable y entre este cemento y el esmalte dental. Por lo que este estudio se ha enfocado en determinar la resistencia adhesiva en la interfaz localizada entre la resina de la base del PAD y el cemento resinoso fotopolimerizable utilizando ácido fluorhídrico y óxido de aluminio como tratamiento de superficie previo a la cementación indirecta de la técnica lingual. MATERIALES Y METODOS: El tipo de estudio fue experimental "in vitro", con una muestra de 30 cuerpos de prueba hechos con resina Transbond XT, utilizando para su confección un blíster de brackets, se siguieron tres protocolos diferentes; G1 o grupo control sin ninguna preparación, G2 con aplicación de óxido de aluminio, 50 micrones durante 10 segundos en la superficie del cuerpo de prueba, G3 con aplicación de ácido fluorhídrico al 9% en la superficie del cuerpo de prueba durante 10 minutos. Previo al test de resistencia adhesiva, se realizó los cortes de precisión en cada cuerpo de prueba, obteniendo así 45 tiras de prueba, cada una de las muestras fue adherida a un porta muestra para la prueba de micro tracción, la misma que fue realizada con la máquina universal Mini-Instron modelo 5942, a una velocidad de deformación constante de 0.5 mm/min. Los datos fueron sometidos al test de Normalidad de residuos de Shapiro Wilk (p>0,05) y de LEVENE para el análisis de homogeneidad de las varianzas. La resistencia adhesiva fue comparada entre los grupos por medio del Análisis de Varianza (ANOVA) como factor único para el procesamiento de los datos. Para todos los análisis el nivel de significancia fue del 5% (p< 0,05) con un nivel de confianza del 95% (IC95%). Se consideró estadísticamente significativo valores por debajo de 0,05. RESULTADOS Y CONCLUSIONES: El resultado del test de ANOVA, reveló que el factor de tratamiento de superficie F(2,12)=2,52;p=0,12 no es significante, por lo tanto los diferentes tratamientos de superficie (óxido de aluminio y ácido fluorhídrico) utilizados son equivalentes al grupo control, indicando que no ejercen influencia de manera significativa en los valores de Resistencia Adhesiva (RA) en la preparación de la interfaz localizada entre la resina de la base del PAD y el cemento resinoso fotopolimerizable; concluyendo que se puede utilizar cualquier protocolo de tratamiento de superficie indicado en la presente investigación.