Моделирование взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с полимерной поверхностью с учетом сил Ван-дер-Ваальса и поверхностного натяжения
Аннотация
В работе представлены результаты компьютерного моделирования контактного режима работы зонда атомно-силового микроскопа (АСМ) при взаимодействии с поверхностью нелинейно-упругого полимерного материала. В процессе моделирования учитывались не только силы механической реакции на вдавливание зонда в полимер, но и такие существенные для наноуровня факторы как силы поверхностного натяжения, связанные с искривлением поверхности образца, и межмолекулярное взаимодействие ван-дер-Ваальса. Для определения силы нелинейно- упругой реакции численно решена соответствующая контактная краевая задача. Проведено сравнение полученных для нелинейного случая результатов с классическим решением задачи Герца для линейно упругой среды. Для межмолекулярных и поверхностных сил построены аналитические зависимости, связывающие силу взаимодействия с геометрией зонда и расстоянием между его вершиной и поверхностью образца.
Ключевые слова
Атомно-силовая микроскопия,
полимеры с нелинейно-упругими свойствами,
силы Ван-дер-Ваальса,
силы поверхностного натяжения
При поддержке: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Министерства промышленности инноваций и науки Пермского края (Грант 11-08-96001 р_урал_а), а также Программы ОЭММПУ РАН (рук. Горячева И.Г.) 12-Т-1-1004.
Список литературы
1. Bhushan B. Nanotribology and nanomechanics. Springer, 2005, 1148 p.
2. Schuh C.A. Nanoindentation studies of materials. Materials Today, 2007, 9(5), 32-40.
3. Giessib F.J. AFM’s path to atomic resolution. Materials Today, 2005, 8(5), 32-41.
4. Butt H-J., Capella B., Kappl V. Force measurements with atomic force microscope: Technique, interpretation and applications. Surface Science reports, 2005, 59, 1-150.
5. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологии. Изд-во ТГУ, Тамбов, 2003, 108 с.
6. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Изд-во Института физики микроструктур РАН., Н. Новгород, 2004, 115 с.
7. Bhushan B. Handbook of micro-mano-tribology. Springer, 1999, 433 p.
8. Vanlandingham M.R., McKnicht S.H., Palmese G.R., Eduljee R.F., Gillepie J.W., McCulough Jr.R.L. Relating elastic modulus to indentation response using atomic force microscopy. Journal of Materials Science Letters, 1997,16, 117-119.
9. Dao M., Chollacoop N., Van Vliet K.J., Venkatesh T.A., Suresh S. Computational modeling of the forward and reverse problems in instrumented indentation. Acta Mater., 2001, 49(19), 3899-3918.
10. Fischer-Cripps A.C. Nanoindentation and indentation measurements. Mater. Sci. Eng., 2004, 44, P. 91-102.
11. Fischer-Cripps A.C. Nanoindentation. Springer, 2002, 217 p.
12. Мачихин В.Б., Арзамасцев А.А. Двухмерная модель структуры материала в процессе наноиндентирования (http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/190.pdf)
13. Szlufarska I. Atomic simulations of nanoindentation. Materials Today, 2006, 9(5), 42–50.
14. Дедков Г.В, Дышенков М.Б. Деформация зоны контакта и адгезионное трение между зондом сканирующего фрикционного микроскопа и атомарно-гладкой поверхностью. ЖТФ, 2000, 70(7),96–101.
15. Tsukruk V.V., Yuang Z., Chizhik S.A., Gorbunov V.V. Probing of micromechanical properties of conpliant polymeric materials. Journal of Materials Science, 1998, 33, 4905–4909.
16. Батог Г.С. Батурин А.С. Шешин Е.П. Моделирование контактной жесткости полусферического островкового включения. ЖТФ, 2008, 78(1), 126–128.
17. Sauer R. A computational contact model for nanoscale rubber adhesion. VI European conference on Constructive Models for Rubber: Proceedings (Germany, Dresden, 7-10 September 2009), CRC Press, 2009, 47–52.
18. Морозов И.А., Гаришин О.К., Володин Ф.В., Кондюрин А.В., Лебедев С.Н. Экспериментальное и численное моделирование эластомерных композитов путем исследования нанослоев полиизопрена на углеродной поверхности. Механика композиционных материалов и конструкций, 2008, 14(1), 3–15.
19. Таблицы физических величин. /Под ред. акад. Кикоина И.К., М.: Атомиздат, 1976, 1009 с.
20. Israelachvili J.N. Intermolecular and surface forces. Academic Press, 1998, 450 p.
21. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Статистическая физика. Часть 2. Теория конденсированного состояния. М.: Наука, 1978, 448 с.
22. Смирнов Б.М. Физика слабо ионизированного газа. М.: Наука, 1972, 416 с.
Рецензия
Для цитирования:
Гаришин О.К. Моделирование взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с полимерной поверхностью с учетом сил Ван-дер-Ваальса и поверхностного натяжения. Наносистемы: физика, химия, математика. 2012;3(2):47-54.
For citation:
Garishin O.K. Modelling of interaction between the Atomic force microscope probe with a polymer surface with account of van der Waals forces and surface tension. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2012;3(2):47-54. (In Russ.)
Просмотров:
18
Послать статью по эл. почте 