The Force Feedback Microscope : an AFM for soft condensed matter

par Luca Costa

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Fabio Comin et de Joël Chevrier.

Soutenue le 20-01-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec European synchrotron radiation facility (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Catherine Picart.

Le jury était composé de Pierre-Emmanuel Milhiet.

Les rapporteurs étaient Neil Thomson, Raman Arvind.

  • Titre traduit

    Le microscope à retour de force (FFM) : un microscope à force atomique pour la matière molle


  • Résumé

    Depuis son invention en 1986, les microscopes à force atomique (AFM) ont été des puissants outils pour la caractérisation des matériaux et des propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique. Cette thèse est entièrement dédiée à la mesure de l'interaction entre une sonde AFM et une surface avec une nouvelle technique AFM appelée Force Feedback Microscopy (FFM). La technique a été développée et utilisée pour l'étude d'échantillons biologiques. Le principe central de la technologie FFM est que la force totale moyenne appliquée à la pointe est égal à zéro. En conséquence, en présence d'une interaction pointe-échantillon, une force égale et contraire doit être appliqué à la pointe par une boucle de rétroaction . La force de réaction est ici appliquée à la pointe à travers le déplacement d'un petit élément piézoélectrique positionné à la base du levier AFM. La boucle de rétroaction permet d'éviter instabilités mécaniques tels que le saut au contact, permettant la mesure complète de la courbe d'interaction. En plus, il donne la possibilité de mesurer simultanément les parties élastique et inélastique de l'interaction.La technique a été appliquée à l'étude des interactions à l'interface solide/gaz, avec un intérêt particulier pour l'observation de la formation et de la rupture des ponts capillaires entre pointe et échantillon. Ensuite, on a focalisé notre attention aux interfaces solide/liquide. Dans ce contexte, courbes complètes de type DLVO sont caractérisées d'un point de vue élastique et dissipatif.Nous avons développé des nouveaux modes d'imagerie AFM pour l'étude des biomolécules. Images de phospholipides et de l'ADN à force constante ont été réalisées et certaines propriétés mécaniques comme le module de Young des échantillons ont été évaluées. En plus, nous avons réalisé une étude spectroscopique de l'élasticité et du coefficient d'amortissement de l'interaction entre des cellules vivantes de type PC-12 et une pointe AFM en silicium. L'étude montre que le FFM est un instrument capable de mesurer l'interaction à des fréquences qui ne sont pas nécessairement liées aux résonances caractéristiques du levier. L'étude spectroscopique pourrait avoir dans le futur des applications importantes pour l'étude des bio-molécules et des polymères.


  • Résumé

    Since its invention in 1986, the atomic force microscopes (AFMs) have been powerful tools for the characterization of materials and material properties at the nanoscale. The present thesis focuses on the measurement of the interaction between an AFM probe and a surface. A new AFM technique called Force Feedback Microscopy (FFM) has been developed and applied to the study of biological specimens. The central principle of the FFM is that the average total force acting on the tip is maintained equal to zero. It means that, in presence of a tip-sample interaction, a counteracting force has to be applied to the tip by a feedback loop. We apply a counteracting force to the tip by displacing the cantilever base with a small piezoelectric element. The feedback loop avoids mechanical instabilities such as jump to contact allowing the complete measurement of the interaction force. Moreover it is possible to simultaneously measure the elastic and inelasticcomponents of the interaction.The technique has been applied to the study of interactions at the solid/gas interface with a particular interest to the observation of the nucleation and rupture of capillary condensates between the tip and the sample. At the solid/liquid interface, complete DLVO force curves are characterized elastically and inelastically.We developed new AFM imaging modes for the study of biomolecules. Images of phospholipids and DNA at constant force have been acquired and the mechanical Young modulus of the samples has been evaluated when possible. In addition, a spectroscopic study of the elasticity and the damping factor of the interaction between living cells and the tip has been carried out. The study reveals that the FFM is an instrument capable of measuring the interaction at frequencies which are not necessarily linked to the cantilever eigenmodes. The spectroscopy study could have in the future important applications on the study of biomolecules and polymers.


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