修飾された電極上のコロイド粒子の接着

コロイドシリカ粒子と修飾された電極間の接着は、原子間力顕微鏡（AFM）に基づくコロイドプローブ技術を使用した直接力測定によって研究されています。金電極の膨大な制御と自己組織化単層（SAMS）との表面の化学的修飾の組み合わせにより、固体/液体界面での電気二重層と官能基による力の分離が可能になります。そのような電極の接着は、外部から適用された電位と水溶液のイオン強度を使用して、大きな範囲で調整できます。強力な定数でカンチレバーを利用することにより、さまざまな貢献を密着性のない方法で分離することができます。これらの貢献は、びまん性層のオーバーラップ、ファンデルワールス力、溶媒除外、および電気毛細血管性を含んでいます。観察された接着力の定量的記述は、シリカ粒子の表面粗さを考慮に入れて得られます。接着力の主な成分は、外部電位によって調整される電気二重層のオーバーラップに由来します。対照的に、エレクトロカピラリティによる効果はわずかに重要です。定量分析に基づいて、外部的に適用された電位の関数として接着力の調整を可能にする新しいアプローチが提案されています。このアプローチは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）の設計、電気化学センサーの開発、およびマイクロマニアピンの適用に重要な用途があると予想しています。

The adhesion between colloidal silica particles and modified electrodes has been studied by direct force measurements with the colloidal probe technique based on the atomic force microscope (AFM). The combination of potentiostatic control of gold electrodes and chemical modification of their surface with self-assembled monolayers (SAMs) allows for the decoupling of forces due to the electrical double layers and functional groups at the solid/liquid interface. Adhesion on such electrodes can be tuned over a large range using the externally applied potential and the aqueous solution's ionic strength. By utilizing cantilevers with a high force constant, it is possible to separate the various contributions to adhesion in an unambiguous manner. These contributions comprise diffuse-layer overlap, van der Waals forces, solvent exclusion, and electrocapillarity. A quantitative description of the observed adhesion forces is obtained by taking into account the surface roughness of the silica particle. The main component of the adhesion forces originates from the overlap of the electrical double layers, which is tuned by the external potential. By contrast, effects due to electrocapillarity are of only minor importance. Based on our quantitative analysis, a new approach is proposed that allows tuning of the adhesion force as a function of the externally applied potential. We expect this approach to have important applications for the design of microelectromechanical systems (MEMS), the development of electrochemical sensors, and the application of micro- and nanomanipulation.