Investigating Nucleophilic Reactions of Organic Thin Films at the Molecular Scale Using Chemical Force Microscopy
No Thumbnail Available
Date
2025
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of Sheffield
Abstract
Surface reactions are central to many scientific and technological processes, including industrial catalysis, environmental remediation, and energy conversion. A detailed understanding of interfacial interactions at the nanoscale requires insight into the chemical, physical, and mechanical processes that govern surface behaviour. This thesis investigates the chemical interactions of functional organic thin films with defined surface terminations using chemically modified atomic force microscopy (AFM) probes in chemical force microscopy (CFM).
The work addresses two objectives: first, to examine nucleophile–electrophile interactions and the influence of solvent media; and second, to investigate the tribological aspects of surface reaction kinetics. Chapter 3 uses force–distance measurements to quantify adhesion forces and elucidate probe–surface interactions. Chapter 4 uses lateral force microscopy (LFM), also known as friction force microscopy (FFM), to examine reaction-related frictional behaviour.
Two hypotheses are tested: that CFM can measure interaction forces between nucleophiles and electron-deficient carbon centers, and that CFM can probe bond-formation processes during nucleophilic reactions. More than 64 systems, including silane- and thiol-based self-assembled monolayers, were examined. The results show that adhesion and friction forces increase with the mole fraction of reactive functional groups. Amino-functionalised surfaces exhibit pronounced time-dependent evolution, consistent with progressive interfacial chemical transformation. Distinct contributions from hydrogen bonding, van der Waals interactions, and covalent bond formation are identified, with adhesion enhanced in nonpolar environments. Notably, the nucleophilic-electrophilic reaction between the tip and the sample occurred within ~14 min.
Description
ملخص الدراسة باللغة العربية:
تُعدّ التفاعلات السطحية محورًا أساسيًا في العديد من العمليات العلمية والتقنية، بما في ذلك التحفيز الصناعي، والمعالجة البيئية للملوثات، وتحويل الطاقة. ويتطلّب الفهم الدقيق للتفاعلات البينية على المقياس النانوي معرفةً متعمقة بالعمليات الكيميائية والفيزيائية والميكانيكية التي تتحكم في سلوك الأسطح. تتناول هذه الأطروحة دراسة التفاعلات الكيميائية للأغشية العضوية الرقيقة الوظيفية مع أسطح ذات مجموعات وظيفية محددة، وذلك باستخدام مجسّات مجهر القوة الذرية المعدّلة كيميائيًا ضمن تقنية مجهرية القوى الكيميائية.
تركّز الدراسة على هدفين رئيسيين: أولا، دراسة التفاعلات النيوكليوفيلة–الإلكتروفيلة وتأثير الوسط المذيب عليها؛ ثانيا، استقصاء الجوانب التريبولوجية (الاحتكاكية) المرتبطة بحركية التفاعلات السطحية. وقد استُخدمت في الفصل الثالث قياسات منحنيات القوة–المسافة لتحديد قوى الالتصاق كمّيًا وتوضيح طبيعة التفاعلات بين المجسّ والسطح. أما الفصل الرابع فقد اعتمدت الدراسة على استخدام مجهر القوة الجانبية، والتي تعرف أيضًا باسم مجهر قوة الاحتكاك، لدراسة السلوك الاحتكاكي المرتبط بالعمليات التفاعلية على السطح.
اختبرت الأطروحة فرضيتين رئيسيتين: الأولى أن مجهرية القوى الكيميائية قادرة على قياس قوى التفاعل بين النيوكليوفيلات ومراكز الكربون الفقيرة بالإلكترونات، والثانية أن هذه التقنية قادرة على تتبّع عمليات تكوين الروابط الكيميائية أثناء التفاعلات النيوكليوفيلية. وقد شملت الدراسة اختبار أكثر من 64 نظامًا مختلفًا، تضمنت طبقات أحادية ذاتية التجميع قائمة على السيلانات والثيولات.
أظهرت النتائج أن قوى الالتصاق والاحتكاك تزداد بزيادة الكسر المولي للمجموعات الوظيفية المتفاعلة. كما بيّنت الأسطح الوظيفية المحتوية على مجموعات الأمين تغييرا ملحوظًا مع زمن اتصال المجس مع سطح العينة، بما يتوافق مع حدوث تحول كيميائي تدريجي عند الواجهة البينية. وتم التمييز بين المساهمات المختلفة من الروابط الهيدروجينية، وقوى فان دير فالس، والروابط التساهمية، حيث لوحظ تعزيز قوى الالتصاق في البيئات غير القطبية. ومن النتائج اللافتة أن التفاعل النيوكليوفيلي– الإلكتروفيلي بين رأس المجس والعينة حدث خلال مدة تقارب 14 دقيقة عند نقطة اتصال تتراوح في حدود 40 نانومتر.
Keywords
Atomic Force Microscopy, Nanotribology, Thin Films, Nanoscale Interactions
