D21 Microscopia de força atômica (AFM)

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A força de interação entre uma ponta minúscula e uma superfície pode ser medida em nanoescala usando microscopia de força atômica, conhecida como AFM. Essa técnica é aplicada diretamente às cerdas adesivas do inseto, à sua cutícula e a vários substratos de interesse.

Em seu modo de curva força-distância, a ponta do AFM se aproxima da superfície e, em seguida, se afasta. Ao longo desse movimento, a deflexão da alavanca que sustenta a ponta é registrada, dependendo da posição precisa para a qual um elemento piezoelétrico move a ponta. Essa deflexão da alavanca é, essencialmente, o sinal bruto a partir do qual toda a força de interação é extraída.

Para converter essa deflexão da alavanca em um valor de força real, é essencial calibrar com precisão a constante elástica da alavanca. O método de Sader realiza essa calibração de uma maneira particularmente elegante: ele relaciona a constante elástica à frequência de ressonância e ao fator de qualidade da própria alavanca enquanto ela vibra dentro do fluido, sem exigir nenhum padrão de referência de força externo para comparação.

Com a alavanca calibrada, o ramo de aproximação da curva força-distância pode ser ajustado usando o modelo de Hertz para extrair o módulo de Young da amostra em medição. Esse ajuste funciona porque, em um contato elástico esférico como o entre a ponta do AFM e a superfície, a força aumenta com a distância de penetração elevada à potência de três meios, uma relação característica desse tipo de contato.

Quando a ponta do AFM é especialmente pequena e rígida, com um raio inferior a vinte nanômetros, o modelo de Hertz deixa de ser adequado, e o modelo DMT é aplicado em seu lugar. Esse modelo relaciona diretamente a força necessária para separar a ponta da superfície, conhecida como força de desprendimento, à energia de adesão de Dupré entre elas, sem a necessidade de saber o quanto a superfície se deformou durante o contato. Aplicadas às cerdas adesivas individuais do inseto, essas curvas de força revelam algo que nenhuma medição média do conjunto de cerdas poderia mostrar: o quanto a força de adesão varia de uma cerda para outra dentro da mesma estrutura adesiva e como essa força de adesão muda dependendo da orientação em que as cerdas fazem contato com a superfície — um efeito conhecido como anisotropia adesiva.

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