Nanomechanics: A new approach for studying the mechanical properties of materials

Mitjançant l'espectroscòpia de forces atòmiques s'ha estudiat la resposta nanomecànica a la nanoindentació de la superfície més estable d'un material trencadís FCC, com és ara el MgO (100). L'expulsió del material en forma de capes demostra que la fallida trencadissa implica, de fet, l'inici de la deformació plàstica o estrès crític, i que la deformació plàstica posterior consisteix en una sèrie d'esdeveniments discrets. Es pot determinar amb precisió el mòdul de Young, E, a partir de la regió de deformació elàstica mitjançant una mecànica senzilla, atesa l'absència de dislocacions induïdes per la nanoindentació. Amb aquesta finalitat s'ha desenvolupat un nou model fisicomatemàtic, que té en compte les interaccions laterals. El valor de l'estrès crític de fricció també s'ha calculat i comentat. Com a conseqüència d'aquesta expulsió en capes, també s'ha estudiat la resposta nanomecànica de superfícies de capes primes (gruix & 1 µm) de molècules orgàniques altament orientades, ja que es tracta de materials en capes amb interaccions de tipus Van der Waals. També en aquests materials la superfície es deforma plàsticament i presenta discontinuïtats discretes en les corbes d'indentació, associades ara a les capes moleculars expulsades per l'indentador. En el cas del metall quasiunidimensional tetratiofulvalè tetracianoquinodimetà (TTFTCNQ), el valor del mòdul de Young, E & 20 GPa, coincideix amb l'obtingut per altres mètodes. En el cas de la fase ! del radical p-nitrofenil nitronil nitròxid (p-NPNN) no es disposa d'informació per a monocristalls, i el valor obtingut per a les capes primes és de E & 2 GPa.Atomic force spectroscopy was used to study the nanomechanical response to nanoindentations on the most stable face (100) of FCC brittle materials such as MgO and alkali halides. The layered expulsion of material demonstrates that brittle failure results from the critical stress brought on by plastic deformation and that plastic deformation consists of a series of discrete events. Due to the absence of indentation- induced dislocations, Young?s modulus E can be correctly estimated from the elastic deformation region using simple mechanics. A new model is developed taking into account lateral interactions. Critical shear stress is also evaluated and discussed. As a result of the layered expulsion we also studied the nanomechanical response of surfaces of highly-oriented molecular organic thin films (ca. 1 µm thickness) because these are Van der Waals layered materials. The surfaces were again found to deform plastically and there were discrete discontinuities in the indentation curves, representing the molecular layers being expelled by the penetrating tip. Here, the Hertz model is quite good at revealing the role of lateral interactions in the indentation process. For the quasi-one-dimensional metal tetrathiafulvalene tetracyanoquinodimethane (TTF-TCNQ) the value of Young?s modulus, E & 20 GPa, coincides with that obtained by other bulk methods. For the !-phase of the p-nitrophenyl nitronyl nitroxide (p-NPNN) radical, no information is available for single crystals and the estimated value obtained for the film is E & 2 GPa

Water on surface studied by scanning probe microscopies

La manera com es mulla una superfície quan se l'exposa a l'aigua determina fenòmens crucials en biologia, en química i en ciència de materials. Les microscòpies locals de rastreig han obert recentment nous camins per a estudiar capes i gotes d'aigua sobre superfícies que han permès l'estudi de les propietats d'allò mullat a nivell molecular. S'han desenvolupat diverses vies d'aproximació utilitzant aquestes tècniques que proporcionen diferents informacions sobre el fenomen del que és mullat. Per exemple, la microscòpia de rastreig d'efecte túnel s'utilitza per estudiar l'estructura de petits clústers i monocapes de molècules d'aigua absorbides en superfícies. Malauradament, aquests estudis estan limitats a temperatures criogèniques i per substrats conductors. Per investigar fenòmens relacionats amb allò mullat en condicions ambientals, el microscopi de forces atòmiques en modes electrostàtics de no-contacte ha esdevingut una eina molt poderosa. Mitjançant aquesta tècnica s'estudia l'estructura de les capes d'aigua més enllà de la primera monocapa, es poden obtenir imatges de gotes a escala nanomètrica per investigar la hidrofobicitat i la hidrofilicitat a escala molecular, s'investiguen processos químics dins de capes d'aigua o s'intenta millorar la impermeabilitat de recobriments moleculars utilitzats en nanotecnologia. En aquest article es presenta una selecció d'estudis il·lustratius, realitzats mitjançant microscòpies locals de rastreig, sobre diferents aspectes rellevants en ciència i tecnologia relacionats amb l'aigua i les superfícies.The wetting properties of a surface exposed to water determine crucial phenomena in biology, chemistry and material sciences. Scanning Probe Microscopies have recently opened new ways to study water films and droplets on surfaces allowing the study of the wetting properties of surfaces at molecular level. Several approaches providing different information on the phenomena have been developed. Scanning Tunneling Microscopy is being used to study the structure of water clusters and water monolayers, but unfortunately these studies are limited to low temperatures and conductive substrates. Atomic Force Microscopy working in non-contact electrostatic modes has become a powerful tool to investigate wetting in ambient conditions. This technique is being used to study the structure of water films beyond the first monolayer, imaging droplets at the nanometer range to study hydrophobicity and hydrophillicity at molecular level, studying chemical processes within adsorbed water films or probing the impermeability of molecular coatings used in nanotechnology. A selection of illustrative Scanning Probe Microscopy studies covering different scientific and technologically relevant aspects related to water and surfaces on water is presented in this review

Water on surface studied by scanning probe microscopies

La manera com es mulla una superfície quan se l'exposa a l'aigua determina fenòmens crucials en biologia, en química i en ciència de materials. Les microscòpies locals de rastreig han obert recentment nous camins per a estudiar capes i gotes d'aigua sobre superfícies que han permès l'estudi de les propietats d'allò mullat a nivell molecular. S'han desenvolupat diverses vies d'aproximació utilitzant aquestes tècniques que proporcionen diferents informacions sobre el fenomen del que és mullat. Per exemple, la microscòpia de rastreig d'efecte túnel s'utilitza per estudiar l'estructura de petits clústers i monocapes de molècules d'aigua absorbides en superfícies. Malauradament, aquests estudis estan limitats a temperatures criogèniques i per substrats conductors. Per investigar fenòmens relacionats amb allò mullat en condicions ambientals, el microscopi de forces atòmiques en modes electrostàtics de no-contacte ha esdevingut una eina molt poderosa. Mitjançant aquesta tècnica s'estudia l'estructura de les capes d'aigua més enllà de la primera monocapa, es poden obtenir imatges de gotes a escala nanomètrica per investigar la hidrofobicitat i la hidrofilicitat a escala molecular, s'investiguen processos químics dins de capes d'aigua o s'intenta millorar la impermeabilitat de recobriments moleculars utilitzats en nanotecnologia. En aquest article es presenta una selecció d'estudis il·lustratius, realitzats mitjançant microscòpies locals de rastreig, sobre diferents aspectes rellevants en ciència i tecnologia relacionats amb l'aigua i les superfícies.The wetting properties of a surface exposed to water determine crucial phenomena in biology, chemistry and material sciences. Scanning Probe Microscopies have recently opened new ways to study water films and droplets on surfaces allowing the study of the wetting properties of surfaces at molecular level. Several approaches providing different information on the phenomena have been developed. Scanning Tunneling Microscopy is being used to study the structure of water clusters and water monolayers, but unfortunately these studies are limited to low temperatures and conductive substrates. Atomic Force Microscopy working in non-contact electrostatic modes has become a powerful tool to investigate wetting in ambient conditions. This technique is being used to study the structure of water films beyond the first monolayer, imaging droplets at the nanometer range to study hydrophobicity and hydrophillicity at molecular level, studying chemical processes within adsorbed water films or probing the impermeability of molecular coatings used in nanotechnology. A selection of illustrative Scanning Probe Microscopy studies covering different scientific and technologically relevant aspects related to water and surfaces on water is presented in this review

Nanomechanics: A new approach for studying the mechanical properties of materials

Mitjançant l'espectroscòpia de forces atòmiques s'ha estudiat la resposta nanomecànica a la nanoindentació de la superfície més estable d'un material trencadís FCC, com és ara el MgO (100). L'expulsió del material en forma de capes demostra que la fallida trencadissa implica, de fet, l'inici de la deformació plàstica o estrès crític, i que la deformació plàstica posterior consisteix en una sèrie d'esdeveniments discrets. Es pot determinar amb precisió el mòdul de Young, E, a partir de la regió de deformació elàstica mitjançant una mecànica senzilla, atesa l'absència de dislocacions induïdes per la nanoindentació. Amb aquesta finalitat s'ha desenvolupat un nou model fisicomatemàtic, que té en compte les interaccions laterals. El valor de l'estrès crític de fricció també s'ha calculat i comentat. Com a conseqüència d'aquesta expulsió en capes, també s'ha estudiat la resposta nanomecànica de superfícies de capes primes (gruix & 1 µm) de molècules orgàniques altament orientades, ja que es tracta de materials en capes amb interaccions de tipus Van der Waals. També en aquests materials la superfície es deforma plàsticament i presenta discontinuïtats discretes en les corbes d'indentació, associades ara a les capes moleculars expulsades per l'indentador. En el cas del metall quasiunidimensional tetratiofulvalè tetracianoquinodimetà (TTFTCNQ), el valor del mòdul de Young, E & 20 GPa, coincideix amb l'obtingut per altres mètodes. En el cas de la fase ! del radical p-nitrofenil nitronil nitròxid (p-NPNN) no es disposa d'informació per a monocristalls, i el valor obtingut per a les capes primes és de E & 2 GPa.Atomic force spectroscopy was used to study the nanomechanical response to nanoindentations on the most stable face (100) of FCC brittle materials such as MgO and alkali halides. The layered expulsion of material demonstrates that brittle failure results from the critical stress brought on by plastic deformation and that plastic deformation consists of a series of discrete events. Due to the absence of indentation- induced dislocations, Youngs modulus E can be correctly estimated from the elastic deformation region using simple mechanics. A new model is developed taking into account lateral interactions. Critical shear stress is also evaluated and discussed. As a result of the layered expulsion we also studied the nanomechanical response of surfaces of highly-oriented molecular organic thin films (ca. 1 µm thickness) because these are Van der Waals layered materials. The surfaces were again found to deform plastically and there were discrete discontinuities in the indentation curves, representing the molecular layers being expelled by the penetrating tip. Here, the Hertz model is quite good at revealing the role of lateral interactions in the indentation process. For the quasi-one-dimensional metal tetrathiafulvalene tetracyanoquinodimethane (TTF-TCNQ) the value of Youngs modulus, E & 20 GPa, coincides with that obtained by other bulk methods. For the !-phase of the p-nitrophenyl nitronyl nitroxide (p-NPNN) radical, no information is available for single crystals and the estimated value obtained for the film is E & 2 GPa

Nanomechanical properties of molecular organic thin films

Using atomic force microscopy we have studied the nanomechanical response to nanoindentations of surfaces of highly oriented molecular organic thin films (thickness¿1000¿nm). The Young¿s modulus E can be estimated from the elastic deformation using Hertzian mechanics. For the quasi-one-dimensional metal tetrathiafulvalene tetracyanoquinodimethane E~20¿GPa and for the ¿ phase of the p-nitrophenyl nitronyl nitroxide radical E~2GPa. Above a few GPa, the surfaces deform plastically as evidenced by discrete discontinuities in the indentation curves associated to molecular layers being expelled by the penetrating tip

Water-mediated photo-induced reduction of platinum films

Platinum thin films activated ex situ by oxygen plasma become reduced by the combined effect of an intense soft X-ray photon beam and condensed water. The evolution of the electronic structure of the surface has been characterized by near-ambient-pressure photoemission and mimics the inverse two-step sequence observed in the electro-oxidation of platinum, i.e. the surface-oxidized platinum species are reduced first and then the adsorbed species desorb in a second step leading to a surface dominated by metallic platinum. The comparison with measurements performed under high-vacuum conditions suggests that the reduction process is mainly induced by the reactive species generated by the radiolysis of water. When the photon flux is decreased, then the reduction process becomes slower.Postprint (author's final draft

Water-mediated photo-induced reduction of platinum films

Platinum thin films activated ex situ by oxygen plasma become reduced by the combined effect of an intense soft X-ray photon beam and condensed water. The evolution of the electronic structure of the surface has been characterized by near-ambient-pressure photoemission and mimics the inverse two-step sequence observed in the electro-oxidation of platinum, i.e. the surface-oxidized platinum species are reduced first and then the adsorbed species desorb in a second step leading to a surface dominated by metallic platinum. The comparison with measurements performed under high-vacuum conditions suggests that the reduction process is mainly induced by the reactive species generated by the radiolysis of water. When the photon flux is decreased, then the reduction process becomes slower