News – Physics of Surfaces – TU Darmstadt

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Physics of Surfaces

Konzentrationsgradienten in verdampfenden binären Tröpfchen, untersucht durch ortsaufgelöste Raman- und NMR-Spektroskopie

Die Verdunstung von Tropfen aus Flüssigkeitsgemischen spielt eine große Rolle in vielen technischen Anwendungen. Wenn wir zum Beispiel eine Wand streichen oder Papier bedrucken, müssen die flüssigen Bestandteile der Farbe verdunsten, während die festen Farbpartikel an der Wand oder dem Papier haften bleiben. Um solche technischen Prozesse besser steuern zu können, verwendet man oft Flüssigkeitsgemische, wobei die einzelnen Flüssigkeiten oft unterschiedlich schnell verdunsten. Das Mischungsverhältnis nach Auftragen der Tropfen verändert sich deshalb mit der Zeit durch die Verdunstung. Durch diese Transportvorgänge entstehen in den Tropfen Konzentrationsgradienten, die besonders in organischen Lösemitteln bisher schwer nachzuweisen waren. Jetzt ist es Forschenden des Sonderforschungsbereichs 1194 "Wechselseitige Beeinflussung von Transport- und Benetzungsvorgängen“ gelungen, solche Konzentrationsgradienten berührungsfrei mit ortsaufgelöster Kernspinresonanz- (NMR) und Ramanspektroskopie nachzuweisen. Da die Messungen berührungsfrei erfolgen und auch keine chemischen Markersubstanzen dazugegeben werden mussten, konnte das Verdunstungsverhalten weitgehend ohne Störung durch den Messprozess untersucht werden. Die Gemischkonzentration im Tropfen wurde dazu unabhängig voneinander mit zwei Messmethoden untersucht, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen: Bei der NMR-Spektroskopie wird die magnetische Kernresonanz in einem starken Magnetfeld untersucht, während bei der konfokalen Ramanspektroskopie die Molekülschwingungen mit Hilfe eines Lasers gemessen werden. Das untersuchte Modellgemisch setzt sich aus zwei Alkoholen unterschiedlicher Kettenlägen zusammen. Die beiden Alkohole können mit Hilfe der NMR-Spektroskopie gut unterschieden werden. Bei der Ramanspektroskopie ist es etwas schwieriger die beiden Flüssigkeiten zu unterscheiden. Deshalb wurde eine der Substanzen mit Deuterium markiert. Da Deuterium schwerer als normaler Wasserstoff ist, verändert sich die Schwingungsfrequenz der Moleküle, was die beiden Alkohole auch mit der Ramanspektroskopie sehr gut unterscheidbar macht. In der Publikation von Bell, Kind et al. können die beteiligten Wissenschaftler*innen um Alena Bell und Jonas Kind zeigen, wie sich im Tropfen ein Konzentrationsgradient ausbildet der sich mit der Zeit durch Verdunstung verändert. Mit den beiden ortsaufgelösten Spektroskopiemethoden stehen zwei unabhängige Werkzeuge zur Verfügung, mit denen Konzentrationsänderungen in organischen Lösemitteln gemessen werden können, wie sie z.B. durch Verdunstungs- und Transportvorgänge hervorgerufen werden. Die Publikation ist das Ergebnis der Kooperation von fünf Teilprojekten des Sonderforschungsbereichs SFB 1194 „Wechselseitige Beeinflussung von Transport- und Benetzungsvorgängen“. Vier dieser Teilprojekte sind an der TU Darmstadt angesiedelt, ein Teilprojekt war am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz lokalisiert und ist nun am Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden. Der Sonderforschungsbereich wird seit 2016 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.
Simultaneous Deconvolution of In-Plane and Out-of-Plane Forces of HOPG at the Atomic Scale under Ambient Conditions by Multifrequency Atomic Force Microscopy

Multifrequency atomic force microscopy (AFM) is shown to be an excellent tool for imaging crystal structures at atomic resolution in different spatial directions. However, determining the forces between single atoms remains challenging, particularly in air under ambient conditions. Developed here is a trimodal AFM approach that simultaneously acquires torsional and flexural frequency-shift images and spectroscopic data to transfer these observables into in-plane and out-of-plane forces between single bonds of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) at atomic resolution in air under ambient conditions based on the Fourier method. It is found that the cantilever mean deflection is an excellent indicator to understand that strong attractive interactions between the tip and the surface of HOPG in dynamic AFM imply a local lift of the topmost carbon layer when using higher eigenmodes for the topographical feedback. Cross-talk between torsional and flexural-oscillation modes is shown to be negligible. Interestingly, significant differences are observed in the in-plane forces depending on the orientation of the carbon bonds relative to the direction of torsional oscillation.
Mapping humidity-dependent mechanical properties of a single cellulose fibre

Modelling of single cellulose fibres is usually performed by assuming homogenous properties, such as strength and Young’s modulus, for the whole fibre. Additionally, the inhomogeneity in size and swelling behaviour along the fibre is often disregarded. For better numerical models, a more detailed characterisation of the fibre is required. Herein, we report a method based on atomic force microscopy to map these properties along the fibre. A fibre was mechanically characterised by static colloidal probe AFM measurements along the longitudinal direction of the fibre. Thus, the contact stress and strain at each loading point could be extracted. Stress–strain curves were be obtained along the fibre. Additionally, mechanical properties such as adhesion or dissipation were mapped. Local variations of the effective fibre radius were recorded via confocal laser scanning microscopy. Scanning electron microscopy measurements revealed the local macroscopic fibril orientation and provided an overview of the fibre topography. By combining these data, regions along the fibre with higher adhesion, dissipation, bending ability and strain or differences in the contact stress when increasing the relative humidity could be identified. This combined approach allows for one to obtain a detailed picture of the mechanical properties of single fibres.
Endothelialization of PDMS-based microfluidic devices under high shear stress conditions

Microfluidic systems made out of polydimethylsiloxane (PDMS) offer a platform to mimic vascular flow conditions in model systems at well-defined shear stresses. However, extracellular matrix (ECM) proteins that are physisorbed on the PDMS are not reliably attached under high shear stress conditions, which makes long-term experiments difficult. To overcome this limitation, we functionalized PDMS surfaces with 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) by using different surface activation methods to develop a stable linkage between the PDMS surface and collagen, which served as a model ECM protein. The stability of the protein coating inside the microfluidic devices was evaluated in perfusion experiments with phosphate-buffered saline (PBS) at 10−40 dynes/cm2 wall shear stress. To assess the stability of cell adhesion, endothelial cells were grown in a multi-shear device over a shear stress range of 20−150 dynes/cm2. Cells on the APTES-mediated collagen coating were stable over the entire shear stress range in PBS (pH 9) for 48 h. The results suggest that at high pH values, the electrostatic interaction between APTES-coated surfaces and collagen molecules offer a very promising tool to modify PDMS-based microfluidic devices for long-term endothelialization under high shear stress conditions.

Institut für Materialwissenschaften