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.

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.

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].

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.

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.

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.

Theoretical Models for Surface Forces and Adhesion and Their Measurement Using Atomic Force Microscopy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Determination of the lifetime and force dependence of interactions of single bonds between surface-attached CD2 and CD48 adhesion molecules

We studied single molecular interactions between surface-attached rat CD2, a T-lymphocyte adhesion receptor, and CD48, a CD2 ligand found on antigen-presenting cells. Spherical particles were coated with decreasing densities of CD48–CD4 chimeric molecules then driven along CD2-derivatized glass surfaces under a low hydrodynamic shear rate. Particles exhibited multiple arrests of varying duration. By analyzing the dependence of arrest frequency and duration on the surface density of CD48 sites, it was concluded that (i) arrests were generated by single molecular bonds and (ii) the initial bond dissociation rate was about 7.8 s−1. The force exerted on bonds was increased from about 11 to 22 pN; the detachment rate exhibited a twofold increase. These results agree with and extend studies on the CD2–CD48 interaction by surface plasmon resonance technology, which yielded an affinity constant of ≈104 M−1 and a dissociation rate of ≥6 s−1. It is concluded that the flow chamber technology can be an useful complement to atomic force microscopy for studying interactions between isolated biomolecules, with a resolution of about 20 ms and sensitivity of a few piconewtons. Further, this technology might be extended to actual cells.

Bipolar Tribocharging Signal During Friction Force Fluctuations At Metal-insulator Interfaces.

Friction and triboelectrification of materials show a strong correlation during sliding contacts. Friction force fluctuations are always accompanied by two tribocharging events at metal-insulator [e.g., polytetrafluoroethylene (PTFE)] interfaces: injection of charged species from the metal into PTFE followed by the flow of charges from PTFE to the metal surface. Adhesion maps that were obtained by atomic force microscopy (AFM) show that the region of contact increases the pull-off force from 10 to 150 nN, reflecting on a resilient electrostatic adhesion between PTFE and the metallic surface. The reported results suggest that friction and triboelectrification have a common origin that must be associated with the occurrence of strong electrostatic interactions at the interface.