JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يتيح تحديد منطقة التلامس والقوة المطبقة بواسطة طرف مسبار مجهر القوة الذرية (AFM) على سطح العينة تحديد الخصائص الميكانيكية النانوية. تمت مناقشة أفضل الممارسات لتنفيذ المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM في الهواء أو السائل على العينات اللينة والصلبة لقياس معامل المرونة أو الخواص الميكانيكية النانوية الأخرى.

Abstract

يقيس مجهر القوة الذرية (AFM) بشكل أساسي التفاعل بين طرف مسبار AFM النانوي وسطح العينة. إذا كان من الممكن قياس القوة التي يطبقها طرف المسبار ومنطقة ملامسته للعينة ، فمن الممكن تحديد الخواص الميكانيكية النانوية (على سبيل المثال ، معامل المرونة أو يونغ) للسطح الذي يتم فحصه. يتم توفير إجراء مفصل لإجراء تجارب المسافة البادئة النانوية الكمية القائمة على الكابولي AFM هنا ، مع أمثلة تمثيلية لكيفية تطبيق هذه التقنية لتحديد الوحدات المرنة لمجموعة متنوعة من أنواع العينات ، بدءا من kPa إلى GPa. وتشمل هذه الخلايا الجذعية الوسيطة الحية (MSCs) والنوى في المخزن المؤقت الفسيولوجي ، والمقاطع العرضية لصنوبر لوبلولي المجففة المضمنة في الراتنج ، وصخر باكين بتركيبة مختلفة.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM لاستكشاف قوة التمزق (أي قوة الاختراق) لطبقات الفوسفوليبيد المزدوجة. تتم مناقشة الاعتبارات العملية المهمة مثل اختيار الطريقة وتطويرها ، واختيار المسبار ومعايرته ، وتحديد منطقة الاهتمام ، وعدم تجانس العينة ، وحجم الميزة ونسبة العرض إلى الارتفاع ، وتآكل الطرف ، وخشونة السطح ، وتحليل البيانات وإحصاءات القياس للمساعدة في التنفيذ السليم للتقنية. أخيرا ، يتم توضيح التوطين المشترك للخرائط الميكانيكية النانوية المشتقة من AFM مع تقنيات الفحص المجهري الإلكتروني التي توفر معلومات إضافية بشأن التركيب العنصري.

Introduction

يعد فهم الخواص الميكانيكية للمواد أحد أهم المهام الأساسية والأساسية في الهندسة. لتحليل خصائص المواد السائبة ، هناك العديد من الطرق المتاحة لتوصيف الخواص الميكانيكية لأنظمة المواد ، بما في ذلك اختبارات الشد1 ، واختبارات الضغط2 ، واختبارات الانحناء (الانحناء) ثلاثية أو أربع نقاط3. في حين أن هذه الاختبارات المجهرية يمكن أن توفر معلومات لا تقدر بثمن فيما يتعلق بخصائص المواد السائبة ، إلا أنها تجرى بشكل عام للفشل ، وبالتالي فهي مدمرة. بالإضافة إلى ذلك ، فإنها تفتقر إلى الدقة المكانية اللازمة للتحقيق بدقة في الخصائص الدقيقة والنانوية للعديد من أنظمة المواد التي تهم اليوم ، مثل الأغشية الرقيقة والمواد البيولوجية والمركبات النانوية. للبدء في معالجة بعض المشاكل المتعلقة بالاختبارات الميكانيكية واسعة النطاق ، وخاصة طبيعتها المدمرة ، تم اعتماد اختبارات الصلابة الدقيقة من علم المعادن. الصلابة هي مقياس لمقاومة المادة لتشوه البلاستيك في ظل ظروف محددة. بشكل عام ، تستخدم اختبارات الصلابة الدقيقة مسبارا صلبا ، عادة ما يكون مصنوعا من الفولاذ المقوى أو الماس ، لوضع مسافة بادئة في مادة. يمكن بعد ذلك استخدام عمق المسافة البادئة الناتج و / أو المساحة لتحديد الصلابة. تم تطوير عدة طرق ، بما في ذلك صلابة فيكرز4 و Knoop5 و Brinell6 . يوفر كل منها مقياسا لصلابة المواد المجهرية ، ولكن في ظل ظروف وتعريفات مختلفة ، وعلى هذا النحو ينتج فقط البيانات التي يمكن مقارنتها بالاختبارات التي يتم إجراؤها في ظل نفس الظروف.

تم تطوير المسافة البادئة النانوية الآلية لتحسين القيم النسبية التي تم الحصول عليها من خلال طرق اختبار الصلابة الدقيقة المختلفة ، وتحسين الدقة المكانية الممكنة لتحليل الخواص الميكانيكية ، وتمكين تحليل الأغشية الرقيقة. الأهم من ذلك ، من خلال استخدام الطريقة التي طورها أوليفر وفار7 لأول مرة ، يمكن تحديد معامل المرونة أو يونغ ، E ، لعينة المادة عن طريق المسافة البادئة النانوية الآلية. علاوة على ذلك ، من خلال استخدام مسبار بيركوفيتش الهرمي ثلاثي الجوانب (الذي تتطابق وظيفة منطقة طرفه المثالية مع وظيفة مسبار فيكرز الهرمي رباعي الجوانب)8 ، يمكن إجراء مقارنة مباشرة بين قياسات الصلابة النانوية والأكثر تقليدية على نطاق مصغر. مع نمو شعبية AFM ، بدأت المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM تحظى بالاهتمام أيضا ، خاصة لقياس الخواص الميكانيكية للمواد الأكثر ليونة. نتيجة لذلك ، كما هو موضح بشكل تخطيطي في الشكل 1 ، فإن التقنيتين الأكثر استخداما اليوم لاستجواب وقياس الخواص الميكانيكية النانوية هما المسافة البادئة النانوية الآلية (الشكل 1 أ) والمسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM (الشكل 1 ب) 9 ، وهذا الأخير هو محور هذا العمل.

figure-introduction-2805
الشكل 1: مقارنة بين أنظمة المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي و AFM. مخططات تخطيطية تصور أنظمة نموذجية لإجراء (أ) المسافة البادئة النانوية الآلية و (ب) المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM. تم تعديل هذا الرقم من Qian et al.51. اختصار: AFM = مجهر القوة الذرية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تستخدم كل من المسافة البادئة النانوية القائمة على الأجهزة و AFM مسبارا صلبا لتشويه سطح عينة محل الاهتمام ومراقبة القوة الناتجة والإزاحة كدالة للوقت. عادة ، يتم تحديد ملف تعريف الإزاحة للحمل المطلوب (أي القوة) أو (Z-piezo) من قبل المستخدم عبر واجهة البرنامج ويتم التحكم فيه مباشرة بواسطة الأداة ، بينما يتم قياس المعلمة الأخرى. الخاصية الميكانيكية التي يتم الحصول عليها غالبا من تجارب المسافة البادئة النانوية هي معامل المرونة (E) ، والذي يشار إليه أيضا باسم معامل يونغ ، والذي يحتوي على وحدات ضغط. معامل المرونة للمادة هو خاصية أساسية تتعلق بصلابة الرابطة ويتم تعريفه على أنه نسبة إجهاد الشد أو الانضغاط (σ ، القوة المطبقة لكل وحدة مساحة) إلى الإجهاد المحوري (ε ، التشوه النسبي على طول محور المسافة البادئة) أثناء التشوه المرن (أي القابل للانعكاس أو المؤقت) قبل ظهور تشوه البلاستيك (المعادلة [1]):

figure-introduction-4305(1)

تجدر الإشارة إلى أنه نظرا لأن العديد من المواد (خاصة الأنسجة البيولوجية) هي في الواقع لزجة مرنة ، في الواقع ، يتكون المعامل (الديناميكي أو المعقد) من مكونات مرنة (تخزين ، في الطور) ولزجة (خسارة ، خارج الطور). في الممارسة الفعلية ، ما يتم قياسه في تجربة المسافة البادئة النانوية هو المعامل المختزل ، E * ، المرتبط بمعامل العينة الحقيقي محل الاهتمام ، E ، كما هو موضح في المعادلة (2):

figure-introduction-4888(2)

حيث Etip و ν tip هما معامل المرونة ونسبة بواسون ، على التوالي ، لطرف nanoindenter ، و ν هي نسبة بواسون المقدرة للعينة. نسبة بواسون هي النسبة السالبة للإجهاد المستعرض إلى المحوري ، وبالتالي تشير إلى درجة الاستطالة المستعرضة للعينة عند تعرضها لإجهاد محوري (على سبيل المثال ، أثناء تحميل المسافة البادئة النانوية) ، كما هو موضح في المعادلة (3):

figure-introduction-5461(3)

التحويل من المعامل المختزل إلى المعامل الفعلي ضروري لأن أ) قد يتم تحويل بعض الإجهاد المحوري الذي ينقله طرف المسافة البادئة إلى إجهاد عرضي (أي أن العينة قد تتشوه عن طريق التمدد أو الانكماش عموديا على اتجاه التحميل) ، و ب) الطرف البادئ ليس صعبا بشكل لا نهائي ، وبالتالي فإن فعل المسافة البادئة للعينة يؤدي إلى بعض (صغير) تشوه الطرف. لاحظ أنه في الحالة التي يكون فيهاطرف E >> E (أي أن طرف المسافة البادئة أصعب بكثير من العينة ، وهو ما يكون صحيحا غالبا عند استخدام مسبار الماس) ، فإن العلاقة بين معامل العينة المختزلة والفعلية تبسط إلى حد كبير إلى E ≈ E * (1 - v2). في حين أن المسافة البادئة النانوية الآلية متفوقة من حيث توصيف القوة الدقيق والنطاق الديناميكي ، فإن المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM أسرع ، وتوفر أوامر من حيث الحجم قوة أكبر وحساسية إزاحة ، وتمكن من تصوير عالي الدقة وتحسين تحديد موقع المسافة البادئة ، ويمكنها في نفس الوقت التحقيق في الخصائص المغناطيسية والكهربائية النانوية9. على وجه الخصوص ، تعتبر المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM متفوقة في القياس الكمي للخصائص الميكانيكية على المستوى النانوي للمواد اللينة (على سبيل المثال ، البوليمرات ، والمواد الهلامية ، والطبقات الثنائية الدهنية ، والخلايا أو المواد البيولوجية الأخرى) ، والأغشية الرقيقة للغاية (دون ميكرومتر) (حيث يمكن أن تلعب تأثيرات الركيزة دورا اعتمادا على عمق المسافة البادئة)10،11 ، والمواد المعلقة ثنائية الأبعاد (2D)12،13،14 مثل الجرافين 15،16 ، الميكا17 ، نيتريد البورون السداسي (h-BN) 18 ، أو ديكالكوجينيدات المعادن الانتقالية (TMDCs ؛ على سبيل المثال ، MoS2) 19. ويرجع ذلك إلى قوتها الرائعة (sub-nN) وحساسية الإزاحة (sub-nm) ، وهو أمر مهم لتحديد نقطة الاتصال الأولية بدقة والبقاء داخل منطقة التشوه المرن.

في المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM ، يتم تشغيل إزاحة مسبار AFM نحو سطح العينة بواسطة عنصر كهرضغطية معاير (الشكل 1 ب) ، مع انحناء الكابولي المرن في النهاية بسبب قوة المقاومة التي يتعرض لها عند ملامسته لسطح العينة. عادة ما يتم مراقبة هذا الانحناء أو الانحراف للناتئ عن طريق عكس الليزر من الجزء الخلفي من الكابولي إلى كاشف ضوئي (كاشف حساس للموضع [PSD]). إلى جانب معرفة صلابة الكابولي (في nN / nm) وحساسية الانحراف (في nm / V) ، من الممكن تحويل هذا الانحراف الكابولي المقاس (في V) إلى القوة (في nN) المطبقة على العينة. بعد الاتصال ، ينتج عن الفرق بين حركة Z-piezo وانحراف الكابولي عمق المسافة البادئة للعينة. إلى جانب معرفة وظيفة منطقة الطرف ، يتيح ذلك حساب منطقة تلامس عينة الطرف. يمكن بعد ذلك ملاءمة ميل الأجزاء الملامسة لمنحنيات مسافة القوة أو إزاحة القوة (F-D) الناتجة باستخدام نموذج ميكانيكا اتصال مناسب (انظر قسم تحليل البيانات في المناقشة) لتحديد الخواص النانوية الميكانيكية للعينة. في حين أن المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM تمتلك بعض المزايا المميزة على المسافة البادئة النانوية الآلية كما هو موضح أعلاه ، فإنها تقدم أيضا العديد من تحديات التنفيذ العملي ، مثل المعايرة وتآكل الأطراف وتحليل البيانات ، والتي سيتم مناقشتها هنا. الجانب السلبي المحتمل الآخر للمسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM هو افتراض المرونة الخطية ، حيث يجب أن يكون نصف قطر التلامس وأعماق المسافة البادئة أصغر بكثير من نصف قطر المسافة البادئة ، والذي قد يكون من الصعب تحقيقه عند العمل مع مجسات AFM النانوية و / أو العينات التي تظهر خشونة سطح كبيرة.

تقليديا ، اقتصرت المسافة البادئة النانوية على المواقع الفردية أو تجارب المسافة البادئة للشبكة الصغيرة ، حيث يتم تحديد الموقع المطلوب (أي منطقة الاهتمام [ROI]) ويتم إجراء مسافة بادئة واحدة خاضعة للرقابة ، ومسافات بادئة متعددة في موقع واحد مفصولة ببعض وقت الانتظار ، و / أو شبكة خشنة من المسافات البادئة بمعدل هرتز. ومع ذلك ، فإن التطورات الحديثة في AFM تسمح بالحصول على الخواص الميكانيكية والطوبوغرافيا في وقت واحد من خلال استخدام أوضاع التصوير القائمة على منحنى القوة عالية السرعة (المشار إليها بأسماء تجارية مختلفة اعتمادا على الشركة المصنعة للنظام) ، حيث يتم إجراء منحنيات القوة بمعدل kHz تحت التحكم في الحمل ، مع استخدام أقصى قوة لعينة الطرف كنقطة ضبط للتصوير. كما تم تطوير طرق التأشير والتصوير ، مما يسمح بالحصول على صورة تضاريس AFM متبوعة بمسافة بادئة نانوية انتقائية لاحقة في نقاط الاهتمام داخل الصورة ، مما يوفر تحكما مكانيا نانويا على موقع المسافة البادئة النانوية. على الرغم من أنه ليس التركيز الأساسي لهذا العمل ، إلا أن أمثلة تطبيقية مختارة محددة لكل من التصوير القائم على منحنى القوة والمسافة البادئة النانوية القائمة على النقطة والتصوير الكابولي معروضة في النتائج التمثيلية ، ويمكن استخدامها جنبا إلى جنب مع البروتوكول الموضح أدناه إذا كان متاحا على منصة AFM المحددة المستخدمة. على وجه التحديد ، يحدد هذا العمل بروتوكولا معمما للتنفيذ العملي للمسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM على أي نظام AFM قادر ويقدم أربعة أمثلة لحالة الاستخدام (اثنان في الهواء ، واثنان في السوائل) للتقنية ، بما في ذلك النتائج التمثيلية ومناقشة متعمقة للفروق الدقيقة والتحديات والاعتبارات المهمة لاستخدام التقنية بنجاح.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

ملاحظة: نظرا للتنوع الكبير في AFMs المتاحة تجاريا وتنوع أنواع العينات والتطبيقات الموجودة للمسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي ، فإن البروتوكول التالي مصمم عن قصد ليكون عاما نسبيا بطبيعته ، مع التركيز على الخطوات المشتركة اللازمة لجميع تجارب المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي بغض النظر عن الأداة أو الشركة المصنعة. لهذا السبب ، يفترض المؤلفون أن القارئ يمتلك على الأقل معرفة أساسية بتشغيل الأداة المحددة المختارة لأداء المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي. ومع ذلك ، بالإضافة إلى البروتوكول العام الموضح أدناه ، يتم تضمين إجراء تشغيل قياسي مفصل خطوة بخطوة (SOP) خاص ب AFM والبرمجيات المستخدمة هنا (انظر جدول المواد) ، والتي تركز على المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي للعينات في السوائل ، كمادة تكميلية.

1. إعداد العينة وإعداد الأداة

  1. قم بإعداد العينة بطريقة تقلل من خشونة السطح (مقياس نانومتر مثالي ، ~ 10x أقل من عمق المسافة البادئة المقصود) والتلوث دون تغيير الخواص الميكانيكية للمنطقة (المناطق) ذات الأهمية.
  2. حدد مسبار AFM مناسبا للمسافة البادئة النانوية للعينة المقصودة بناء على الوسيط (أي الهواء أو السائل) ، والمعامل المتوقع ، وتضاريس العينة ، وأحجام الميزات ذات الصلة (انظر اعتبارات اختيار المسبار في المناقشة). قم بتحميل المسبار على حامل المسبار (انظر جدول المواد) وقم بتوصيل حامل المسبار برأس مسح AFM.
  3. حدد وضع المسافة البادئة النانوية المناسب في برنامج AFM الذي يتيح للمستخدم التحكم في المنحدرات الفردية (أي منحنيات إزاحة القوة).
    ملاحظة: سيختلف الأسلوب المحدد باختلاف مصنعي AFM والأدوات الفردية (انظر الإجراء التشغيلي الموحد المقدم في المواد التكميلية للحصول على مزيد من التفاصيل ومثال محدد).
  4. قم بمحاذاة الليزر على الجزء الخلفي من الكابولي للمسبار ، مقابل موقع طرف المسبار وفي PSD.
    ملاحظة: انظر مثال تطبيق الخلايا الجذعية الوسيطة لمزيد من التفاصيل حول الاعتبارات المهمة عند محاذاة الليزر وإجراء المسافة البادئة النانوية في السوائل ، على وجه الخصوص ، تجنب الحطام العائم و / أو فقاعات الهواء ، والتي يمكن أن تشتت أو تنكسر الحزمة. قد تحتاج بصريات AFM أيضا إلى التعديل للتعويض عن مؤشر انكسار السائل ولتجنب تحطم المسبار عند تعشيق السطح.
    1. قم بتوسيط بقعة شعاع الليزر على الجزء الخلفي من الكابولي عن طريق تعظيم الجهد الكلي (الشكل 2 أ).
    2. قم بتوسيط بقعة شعاع الليزر المنعكسة على PSD عن طريق ضبط إشارات الانحراف X و Y (أي الأفقية والرأسية) لتكون قريبة من الصفر قدر الإمكان (الشكل 2A) ، وبالتالي توفير أقصى نطاق انحراف يمكن اكتشافه لإنتاج جهد خرج يتناسب مع انحراف الكابولي.
  5. إذا لم تكن متأكدا من تضاريس العينة و / أو خشونة السطح و / أو كثافة السطح (في حالة الرقائق أو الجسيمات) ، فقم بإجراء مسح طبوغرافي AFM قبل أي تجارب مسافة بادئة نانوية لتأكيد ملاءمة العينة ، كما هو موضح في الخطوة 1.1 وجزء تحضير العينة من المناقشة.

figure-protocol-2949
الشكل 2: شاشة كاشف حساسة للوضع. (أ) شاشة PSD تشير إلى ليزر محاذ بشكل صحيح ينعكس من الجزء الخلفي من ناتئ المسبار وعلى مركز PSD (كما يتضح من جهد المجموع الكبير وعدم وجود انحراف رأسي أو أفقي) قبل التعشيق على سطح العينة (أي المسبار بعيدا عن ملامسة العينة). (ب) يزداد جهد الانحراف الرأسي عندما ينحرف الكابولي (على سبيل المثال، عندما يتلامس المسبار مع العينة). الاختصارات: PSD = كاشف حساس للموضع ؛ VERT = عمودي ؛ هوريز = أفقي ؛ AMPL = السعة ؛ n/a = لا ينطبق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. مسبار المعايرة

ملاحظة: هناك ثلاث قيم ضرورية لتحديد الخواص الميكانيكية للعينة باستخدام بيانات منحنى F-D التي تم جمعها أثناء المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي: حساسية الانحراف (DS) لنظام الكابولي / PSD (نانومتر / V أو V / نانومتر) ، وثابت الزنبرك الكابولي (nN / nm) ، ومنطقة تلامس المسبار ، غالبا ما يتم التعبير عنها من حيث نصف قطر طرف المسبار الفعال (نانومتر) عند عمق مسافة بادئة معينة أقل من نصف قطر المسبار في حالة المسبار الكروي بقشيش.

  1. قم بمعايرة DS لنظام المسبار / AFM عن طريق التكثيف على مادة شديدة الصلابة (على سبيل المثال ، الياقوت ، E = 345 GPa) بحيث يتم تقليل تشوه العينة وبالتالي يتم تحويل حركة Z المقاسة للبيزو بعد بدء ملامسة طرف العينة فقط إلى انحراف ناتئ.
    ملاحظة: يجب إجراء معايرة DS في نفس الظروف مثل تجارب المسافة البادئة النانوية المخطط لها (أي درجة الحرارة ، والوسط ، وما إلى ذلك) لتعكس بدقة DS للنظام أثناء التجارب. قد تكون فترة تسخين الليزر الطويلة (30 دقيقة) ضرورية لتحقيق أقصى قدر من الدقة لإتاحة الوقت للوصول إلى التوازن الحراري وإنشاء طاقة خرج ليزر مستقرة واستقرار التوجيه. يجب إعادة قياس DS في كل مرة يتم فيها إعادة محاذاة الليزر ، حتى إذا تم استخدام نفس المسبار ، حيث يعتمد DS على شدة الليزر وموضعه على الكابولي ، بالإضافة إلى جودة الانعكاس من المسبار (أي أن تدهور الطلاء الخلفي للمسبار سيؤثر على DS) وحساسية PSD20.
    1. قم بإعداد وتنفيذ المسافات البادئة لمعايرة DS على الياقوت لتحقيق نفس انحراف المسبار تقريبا (في V أو nm) مثل المسافات البادئة للعينة المخطط لها ، نظرا لأن الإزاحة المقاسة هي دالة لزاوية انحراف الطرف وتصبح غير خطية للانحرافات الكبيرة.
    2. حدد DS (في نانومتر / V) ، أو بدلا من ذلك ، حساسية الذراع الضوئية العكسية (في V / nm) ، من ميل الجزء الخطي من نظام الاتصال بعد نقطة الاتصال الأولية في منحنى F-D الناتج ، كما هو موضح في الشكل 3A.
    3. كرر المنحدر 5x على الأقل ، مع تسجيل كل قيمة DS. استخدم متوسط القيم لتحقيق أقصى قدر من الدقة. إذا تجاوز الانحراف المعياري النسبي (RSD) للقياسات ~ 1٪ ، فأعد قياس DS ، حيث تكون منحنيات F-D القليلة الأولى في بعض الأحيان غير مثالية بسبب الإدخال الأولي لقوى اللصق.
    4. إذا لم يتم معايرة ثابت زنبرك الكابولي للمسبار ، k ، في المصنع (على سبيل المثال ، عبر قياس اهتزاز دوبلر بالليزر [LDV]) ، فقم بمعايرة ثابت الزنبرك.
      ملاحظة: طريقة الضبط الحراري مثالية للناتئات اللينة نسبيا مع k < 10 N / m (انظر قسم ثابت الزنبرك من المناقشة للحصول على قائمة ووصف للطرق البديلة ، خاصة بالنسبة للناتئات الصلبة ذات k > 10 N / m). كما هو موضح في الشكل 3B ، C ، يتم دمج الضبط الحراري عادة في برنامج التحكم AFM.
  2. إذا لم يكن المسبار مزودا بقياس نصف قطر طرف تمت معايرته في المصنع (على سبيل المثال ، عن طريق التصوير المجهري الإلكتروني الماسح [SEM]) ، فقم بقياس نصف قطر الطرف الفعال ، R.
    ملاحظة: هناك طريقتان شائعتان لقياس نصف قطر الطرف (انظر قسم المناقشة المقابل) ، ولكن الطريقة الأكثر شيوعا لأطراف المسبار على مقياس النانومتر هي طريقة إعادة بناء الطرف الأعمى (BTR) ، والتي تستخدم معيار الخشونة (انظر جدول المواد) يحتوي على العديد من الميزات الحادة للغاية (دون نانومتر) التي تعمل على تصوير الطرف بشكل فعال ، بدلا من تصوير الطرف للعينة.
    1. في حالة استخدام طريقة BTR ، قم بتصوير عينة الخشونة (توصيف الأطراف) باستخدام معدل مسح بطيء (<0.5 هرتز) ومكاسب ردود فعل عالية للمساعدة في تحسين تتبع الميزات الحادة للغاية. اختر حجم الصورة وكثافة البكسل (الدقة) بناء على نصف قطر الطرف المتوقع (على سبيل المثال ، صورة 1024 × 1024 بكسل بمساحة 3 ميكرومتر × 3 ميكرومتر سيكون لها دقة جانبية ~ 3 نانومتر).
    2. استخدم برنامج تحليل الصور AFM (انظر جدول المواد) لنمذجة طرف المسبار وتقدير نصف قطره النهائي وقطر الطرف الفعال عند عمق المسافة البادئة المتوقعة للعينة ، كما هو موضح في الشكل 3D-F.
  3. عند الانتهاء من معايرة المسبار ، أدخل قيم DS و k و R في برنامج الجهاز ، كما هو موضح في الشكل 4A.
    1. أدخل تقديرا لنسبة بواسون للعينة، ν، لتمكين تحويل المعامل المختزل المقاس إلى معامل العينةالفعلي 9. في حالة استخدام نموذج ميكانيكا اتصال مخروطي أو مخروطي بناء على شكل الطرف وعمق المسافة البادئة ، فمن الضروري أيضا إدخال زاوية نصف الطرف (الشكل 4C).
      ملاحظة: المعامل غير حساس نسبيا للأخطاء الصغيرة أو عدم اليقين في نسبة بواسون المقدرة. تقدير ν = 0.2-0.3 هو نقطة انطلاق جيدة للعديد من المواد21.

figure-protocol-8422
الشكل 3: معايرة المسبار. أ: تحديد حساسية الانحراف. نتيجة قياس حساسية الانحراف التمثيلي الذي تم إجراؤه على ركيزة الياقوت (E = 345 GPa) لمسبار وضع النقر القياسي (الاسمي k = 42 نيوتن / م ؛ انظر جدول المواد) مع طلاء خلفي عاكس من الألومنيوم. تظهر منحنيات النهج المقاس (التتبع الأزرق) والتراجع أو السحب (التتبع الأحمر). تم تحديد حساسية الانحراف المقاسة البالغة 59.16 نانومتر / فولت من خلال ملاءمة منحنى الاقتراب بين نقاط التلامس السريعة ونقطة الدوران ، كما يتضح من المنطقة الواقعة بين الخطوط الحمراء الرأسية المنقطة. تشير منطقة الانحراف السلبي الواضح في منحنى السحب / السحب قبل السحب من السطح إلى التصاق عينة طرف. (ب، ج) ضبط حراري. أطياف الضوضاء الحرارية الكابولية التمثيلية (آثار زرقاء) مع نوبات مقابلة (آثار حمراء) لمسبارين مختلفين. (ب) إعداد الضبط الحراري ومعلمات الملاءمة لمسبار تصوير AFM القياسي القائم على منحنى القوة (انظر جدول المواد) مع ثابت الزنبرك الاسمي k = 0.4 N / m المستخدم كتخمين أولي. ينتج عن ملاءمة طيف الضوضاء الحرارية الكابولي تردد رنين أساسي يبلغ f 0 = 79.8 كيلو هرتز ، وهو ما يتفق بشكل جيد مع القيمة الاسمية f0 = 70 kHz. عامل Q المقاس هو 58.1. تعتمد جودة الملاءمة (R2 = 0.99) على اتفاق الملاءمة مع البيانات بين الخطين الأحمرين المتقطعين العموديين. لاحظ أنه من المهم معرفة وإدخال كل من درجة الحرارة المحيطة وحساسية الانحراف للحصول على نتائج دقيقة. (ج) طيف الضوضاء الحرارية الكابولي والملاءمة المقابلة (أي اللحن الحراري) مع ثابت الزنبرك المحسوب الناتج k = 0.105 N / m لناتئ شديد النعومة يستخدم لإجراء قياسات ميكانيكية نانوية على الخلايا الحية والنوى المعزولة. لاحظ تردد الرنين الطبيعي المنخفض بشكل ملحوظ ~ 2-3 كيلو هرتز. (مد-واو) إعادة بناء الطرف الأعمى. سير عمل إعادة بناء الطرف الأعمى التمثيلي لمسبار طرف الماس (الاسمي R = 40 نانومتر ؛ انظر جدول المواد). (د) صورة 5 ميكرومتر × 5 ميكرومتر لعينة توصيف طرف تتكون من سلسلة من مسامير التيتانيوم الحادة للغاية (دون نانومتر) التي تعمل على تصوير طرف مسبار AFM. (ه) نموذج ناتج معاد بناؤه (صورة ارتفاع مقلوب) لطرف المسبار. (F) نتائج تركيب إعادة بناء الطرف الأعمى ، بما في ذلك نصف قطر نهاية تقديري يبلغ R = 29 نانومتر وقطر طرف فعال يبلغ 40 نانومتر عند ارتفاع يختاره المستخدم يبلغ 8 نانومتر (أي عمق المسافة البادئة << R) من قمة الطرف ، محسوبة بتحويل منطقة تلامس عينة الطرف عند هذا الارتفاع إلى قطر فعال بافتراض ملف تعريف دائري (أي ، A = πr 2 = π (d / 2) 2) للاستخدام مع نماذج ميكانيكا الاتصال الكروية. الاختصارات: AFM = مجهر القوة الذرية ؛ ETD = قطر الطرف الفعال. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-protocol-11430
الشكل 4: مدخلات واجهة البرنامج. (أ) ثوابت معايرة المسبار. واجهة مستخدم البرنامج (انظر جدول المواد) لإدخال حساسية الانحراف المقاسة وثابت الزنبرك ونصف قطر الطرف لتمكين القياسات النانوميكانيكية الكمية. تعد نسبة بواسون لكل من المسبار والعينة ضرورية لحساب معامل المرونة أو يونغ للعينة من منحنيات قوة المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي. (ب) نافذة التحكم في المنحدر. واجهة مستخدم البرنامج (انظر جدول المواد) لإعداد تجارب المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي ، المنظمة في المعلمات التي تصف المنحدر نفسه (أي ملف تعريف المسافة البادئة) ، وتشغيل الأداة (على سبيل المثال ، القوة مقابل التحكم في الإزاحة) ، وتحليل القوة اللاحق ، وحدود الحركة (لتحسين حساسية القياس عن طريق تضييق النطاق الذي يجب أن يعمل عليه محول A / D في التحكم في Z-piezo وقراءة انحراف PSD). (ج) تعتبر زاوية نصف الطرف (بناء على هندسة المسبار أو القياس المباشر) مهمة إذا تم استخدام نموذج ميكانيكا اتصال مخروطي أو هرمي أو كونيسفير (على سبيل المثال ، سنيدون). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. جمع بيانات إزاحة القوة (F-D)

ملاحظة: قد تختلف قيم المعلمات المعروضة هنا (انظر الشكل 4B) اعتمادا على نطاق القوة والمسافة البادئة لعينة معينة.

  1. تنقل في العينة تحت رأس AFM وشارك في المنطقة التي تريدها موضع الاهتمام.
    1. راقب إشارة الانحراف الرأسي (الشكل 2 ب) أو قم بإجراء منحدر أولي صغير (~ 50-200 نانومتر) (الشكل 4 ب) للتحقق من أن الطرف والعينة على اتصال (انظر الشكل 5 أ).
    2. اضبط موضع رأس AFM لأعلى قليلا (بخطوات تقابل ~ 50٪ من حجم المنحدر الكامل) وانحنى مرة أخرى. كرر حتى يصبح الطرف والعينة بعيدين عن الاتصال ، كما يتضح من منحدر مسطح تقريبا (الشكل 5 ب) والحد الأدنى من الانحراف الرأسي للناتئ (الشكل 2 أ).
    3. بمجرد عدم وجود تفاعل واضح بين الطرف والعينة (قارن الشكل 2A والشكل 2B) ، قم بخفض رأس AFM بمقدار يتوافق مع ~ 50٪ -100٪ من حجم المنحدر لضمان عدم اصطدام طرف المسبار بالعينة أثناء تحريك رأس AFM يدويا. انحدر مرة أخرى ، وكرر حتى يتم ملاحظة منحنى جيد (الشكل 5 د) أو منحنى مشابه للشكل 5 ج. في الحالة الأخيرة ، قم بإجراء تعديل صغير إضافي لخفض رأس AFM يساوي ~ 20٪ -50٪ من حجم المنحدر لتحقيق اتصال جيد ومنحنى قوة مشابه لتلك الموضحة في الشكل 5D.
  2. ضبط معلمات المنحدر (كما هو موضح أدناه والموضح في الشكل 4 ب) لتحسين الأداة والمسبار والعينة ، والحصول على منحدرات مماثلة لتلك الموضحة في الشكل 5 د.
    1. حدد حجم المنحدر المناسب (أي إجمالي حركة Z-piezo خلال دورة منحدر واحدة) اعتمادا على العينة (على سبيل المثال ، السماكة ، المعامل المتوقع ، خشونة السطح) وعمق المسافة البادئة المطلوب.
      ملاحظة: بالنسبة للعينات الأكثر صلابة ، من المحتمل أن يحدث تشوه أقل للعينة (وبالتالي انحراف أكبر للمسبار لحركة Z-piezo معينة) ، لذلك يمكن أن يكون حجم المنحدر أصغر بشكل عام من العينات الأكثر ليونة. قد تكون أحجام المنحدر النموذجية للعينات الصلبة والناتئات عشرات نانومتر ، بينما بالنسبة للعينات اللينة والناتئات قد يتراوح حجم المنحدرات من مئات نانومتر إلى بضعة ميكرومتر ؛ يتم عرض أمثلة محددة للتطبيقات المختارة في قسم النتائج التمثيلية. لاحظ أن الحد الأدنى والحد الأقصى لأحجام المنحدر الممكنة يعتمدان على الأداة.
    2. حدد معدل منحدر مناسب (1 هرتز نقطة انطلاق جيدة لمعظم العينات).
      ملاحظة: قد يكون معدل المنحدر محدودا بالتحكم و / أو الكشف عن السرعات الإلكترونية / عرض النطاق الترددي. بالاقتران مع حجم المنحدر ، يحدد معدل المنحدر سرعة الطرف. تعتبر سرعة الطرف مهمة بشكل خاص في الاعتبار عند وضع مسافة بادئة للمواد اللينة حيث قد تتسبب التأثيرات اللزجة المرنة في حدوث قطع أثرية من التباطؤ 9,22.
    3. اختر ما إذا كنت تريد استخدام منحدر تم تشغيله (يتم التحكم في الحمل) أو غير مشغل (يتم التحكم فيه بالإزاحة).
      ملاحظة: في المنحدر المشغل، سيقترب النظام من العينة في خطوات يحددها المستخدم (بناء على حجم المنحدر ودقته أو عدد نقاط البيانات) حتى يتم اكتشاف عتبة الزناد المطلوبة (أي قوة نقطة الضبط أو انحراف الكابولي)، وعند هذه النقطة سيتراجع النظام إلى موضعه الأصلي ويعرض منحنى F-D. في المنحدر غير المشغل ، يقوم النظام ببساطة بتمديد Z-piezo المسافة المحددة بواسطة حجم المنحدر المحدد من قبل المستخدم ويعرض منحنى F-D المقاس. يفضل استخدام المنحدرات المشغلة لمعظم حالات الاستخدام ، ولكن يمكن أن تكون المنحدرات غير المشغلة مفيدة عند فحص المواد اللينة التي لا تظهر نقطة اتصال حادة يسهل التعرف عليها.
      1. إذا تم اختيار منحدر تم تشغيله ، فقم بتعيين عتبة الزناد (الحد الأقصى المسموح به للقوة أو انحراف المنحدر المحدد من قبل المستخدم) لينتج عنه المسافة البادئة المطلوبة في العينة.
        ملاحظة: يعني استخدام عتبة الزناد أن المنحدر قد ينتهي (أي قد يبدأ المسبار في التراجع) قبل الوصول إلى حجم المنحدر الكامل (امتداد Z-piezo) المحدد. قد تتراوح القيم من عدد قليل من nN إلى عدد قليل من μN ، اعتمادا على نظام عينة الطرف.
      2. اضبط موضع المنحدر لتحديد جزء النطاق الأقصى ل Z-piezo الذي سيتم استخدامه لتنفيذ المنحدر. تأكد من أن النطاق الإجمالي لحجم المنحدر لا يبدأ أو ينتهي خارج نطاق Z-piezo الأقصى (انظر الأمثلة التمثيلية في الشكل 6) ، وإلا فلن يمثل جزء من منحنى F-D أي قياس مادي (على سبيل المثال ، سيتم تمديد Z-piezo بالكامل أو سحبه ، وليس الحركة).
    4. اضبط عدد العينات / المنحدر (على سبيل المثال ، 512 عينة / منحدر) لتحقيق الدقة المطلوبة للقياس (أي كثافة النقطة لمنحنى F-D).
      ملاحظة: قد يكون الحد الأقصى للعينات/المنحدر محدودا بقيود البرامج (حجم الملف) أو الأجهزة (على سبيل المثال، سرعة التحويل من التناظرية إلى الرقمية [A/D]، اعتمادا على معدل المنحدر). من الممكن أيضا الحد من نطاق Z-piezo أو الانحراف المسموح به (انظر معلمات الحدود في الشكل 4B) لزيادة الدقة الفعالة لمحول A / D للنظام.
    5. اضبط الدوران X لتقليل قوى القص على العينة والطرف عن طريق تحريك المسبار قليلا في نفس الوقت في الاتجاه X (مواز للناتئ) أثناء المسافة البادئة في الاتجاه Z (عمودي على الكابولي). استخدم قيمة لتدوير X تساوي زاوية إزاحة حامل المسبار بالنسبة إلى السطح الطبيعي (12 درجة نموذجية).
      ملاحظة: يعد الدوران X ضروريا لأن الكابولي مثبت في حامل المسبار بزاوية صغيرة بالنسبة للسطح للسماح لشعاع الليزر الساقط بالانعكاس في PSD. بالإضافة إلى ذلك ، قد تختلف الزوايا الأمامية والخلفية لطرف المسبار عن بعضها البعض (على سبيل المثال ، قد يكون طرف المسبار غير متماثل). يمكن الحصول على معلومات أكثر تحديدا من مصنعي المسبار الفردي و AFM.

figure-protocol-18355
الشكل 5: تحسين فصل عينة الطرف بعد التعشيق للحصول على منحنيات قوة جيدة. أمثلة متسلسلة لمنحنيات إزاحة القوة التمثيلية التي تم الحصول عليها أثناء المسافة البادئة في السائل (محلول ملحي مخزن بالفوسفات) على نواة خلية جذعية حية من اللحمة المتوسطة مع ناتئ نيتريد السيليكون الناعم المعاير ( الاسمي k = 0.04 N / m) ينتهي في طرف نصف كروي نصف قطره 5 ميكرومتر (انظر جدول المواد). تم الحصول على منحنيات في عملية إشراك سطح الخلية وتحسين معلمات المسافة البادئة ، مع نهج المسبار الموضح باللون الأزرق والتراجع / السحب باللون الأحمر. (أ) يكون الطرف قد تعشيق بالفعل وتلامس مع العينة قبل بدء المنحدر ، مما يؤدي إلى انحراف وقوى ناتئة كبيرة ، مع عدم وجود خط أساس مسطح قبل الاتصال. (ب) بعد تحريك الطرف يدويا بعيدا بما فيه الكفاية عن العينة ، ينتج عن منحدر 2 ميكرومتر غير المشغل منحنى F-D مسطح تقريبا (أي لا يوجد تغيير في القوة تقريبا). في الظروف المحيطة ، سيكون المنحنى أكثر تسطحا ، ولكن في السوائل ، يمكن أن تتسبب لزوجة الوسط في انحرافات طفيفة في ناتئ المسبار أثناء المنحدر كما هو موضح هنا ، حتى مع عدم ملامسة السطح. (C) بعد الاقتراب قليلا من السطح قبل بدء المنحدر ، تظهر منحنيات الاقتراب والتراجع زيادة طفيفة في القوة (زيادة الميل) بالقرب من نقطة تحول المنحدر (أي الانتقال من الاقتراب إلى الانسحاب). العلامة المنبهة التي يجب البحث عنها هي أن منحنيات الاقتراب (الأزرق) والسحب (الأحمر) تبدأ في التداخل (المنطقة المشار إليها بالدائرة السوداء) ، مما يدل على تفاعل مادي مع السطح. (D) منحنى F-D مثالي تم الحصول عليه بعد تحسين معلمات المنحدر والاقتراب قليلا (~ 1 ميكرومتر) من سطح الخلية منه في C بحيث يقضي المسبار ما يقرب من نصف المنحدر في اتصال مع الخلية ، مما يتيح تشوها كافيا لتناسب جزء التلامس من منحنى الاقتراب وتحديد معامل المرونة. يسهل خط الأساس الطويل نسبيا والمسطح والمنخفض الضوضاء على خوارزمية التركيب تحديد نقطة الاتصال. اختصار: F-D = قوة الإزاحة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-protocol-20537
الشكل 6: حجم المنحدر وموضعه. شاشة Z-piezo تظهر مدى المنحدر (الشريط الأزرق) بالنسبة إلى إجمالي نطاق حركة Z-piezo المتاح (الشريط الأخضر). (أ) يقع موضع Z-piezo بالقرب من منتصف نطاق حركته ، كما يتضح من كل من الشريط الأزرق الموجود تقريبا في منتصف الشريط الأخضر وجهد Z-piezo الحالي (-78.0 V) تقريبا بين قيمه المنسحبة بالكامل (-212.2 فولت) والممتدة (+102.2 فولت). (ب) يمتد Z-piezo بالنسبة إلى A ، دون تطبيق جهد تحيز. (ج) يتراجع Z-piezo بالنسبة إلى A و B. (د) موضع Z-piezo هو نفسه الموجود في C عند -156.0 V ، ولكن تم زيادة حجم المنحدر بالنسبة إلى A-C للاستفادة من المزيد من نطاق حركة Z-piezo الكامل. € حجم المنحدر كبير جدا بالنسبة لموضع المنحدر الحالي ، مما يؤدي إلى تمديد Z-piezo إلى نهاية نطاقه. سيؤدي ذلك إلى تسطيح منحنى F-D حيث لا يمكن للنظام تمديد Z-piezo أكثر. اختصار: F-D = قوة الإزاحة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

4. تحليل منحنى F-D

  1. اختر حزمة برامج تحليل البيانات المناسبة. حدد وتحميل البيانات المراد تحليلها.
    ملاحظة: تحتوي العديد من الشركات المصنعة ل AFM وبرامج معالجة الصور AFM على دعم مضمن لتحليل منحنى F-D. بدلا من ذلك ، قد تكون المرونة والميزات المتزايدة لحزمة تحليل منحنى F-D المخصصة ، مثل حزمة برامج AtomicJ مفتوحة المصدر ، مفيدة23 ، خاصة لمعالجة الدفعات والتحليل الإحصائي لمجموعات البيانات الكبيرة أو تنفيذ نماذج ميكانيكا الاتصال المعقدة.
  2. قيم معايرة المدخلات لثابت الزنبرك ، DS ، ونصف قطر طرف المسبار ، جنبا إلى جنب مع تقديرات معامل يونغ ونسبة بواسون لطرف المسبار (بناء على تكوين مادته) ونسبة بواسون للعينة.
    ملاحظة: في حالة استخدام مسافة بادئة ذات طرف ماسي ، يمكن استخدام القيم E tip = 1140 GPa و νtip = 0.0721،24،25،26. بالنسبة لمسبار السيليكون القياسي ، يمكن عادة استخدام طرف E = 170 GPa و νtip = 0.27 ، على الرغم من أن معامل Young للسيليكون يختلف اعتمادا على الاتجاه البلوري27.
  3. اختر نموذج ميكانيكا ملامسة المسافة البادئة النانوية المناسب للطرف والعينة.
    ملاحظة: بالنسبة للعديد من نماذج الأطراف الكروية الشائعة (على سبيل المثال ، Hertz و Maugis و DMT و JKR) ، من الضروري أن يكون عمق المسافة البادئة في العينة أقل من نصف قطر الطرف ؛ وإلا فإن الهندسة الكروية لطرف المسبار تفسح المجال لشكل مخروطي أو هرمي (الشكل 4C). بالنسبة للنماذج المخروطية (على سبيل المثال ، Sneddon28) والنماذج الهرمية ، زاوية نصف الطرف (أي الزاوية بين الجدار الجانبي للطرف وخط التقسيم العمودي على نهاية الطرف ؛ الشكل 4 ج) يجب أن تكون معروفة وعادة ما تكون متاحة من الشركة المصنعة للمسبار. لمزيد من المعلومات حول نماذج ميكانيكا الاتصال ، يرجى الاطلاع على قسم تحليل البيانات في thedDiscussion.
  4. قم بتشغيل خوارزمية التركيب. تحقق من التركيب المناسب لمنحنيات F-D ؛ عادة ما يشير الخطأ المتبقي المنخفض المقابل لمتوسط R 2 بالقرب من الوحدة (على سبيل المثال ، R2 > 0.9) إلى ملاءمة جيدة للنموذج المختار29,30. قم بفحص المنحنيات الفردية لفحص المنحنى بصريا وملاءمة النموذج ونقاط الاتصال المحسوبة إذا رغبت في ذلك (على سبيل المثال ، انظر الشكل 7 وقسم تحليل البيانات في المناقشة).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

منحنيات إزاحة القوة
يوضح الشكل 7 منحنيات F-D التمثيلية شبه المثالية التي تم الحصول عليها من تجارب المسافة البادئة النانوية التي أجريت في الهواء على عينات صنوبر لوبلولي المضمنة بالراتنج (الشكل 7A) وفي السائل (محلول ملحي مخزن بالفوسفات [PBS]) على نوى الخلايا الجذعية ال...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

إعداد العينة
بالنسبة للمسافة البادئة النانوية في الهواء ، تشمل طرق التحضير الشائعة التقسيم بالتبريد (على سبيل المثال ، عينات الأنسجة) ، والطحن و / أو التلميع متبوعا بالموجات الدقيقة الفائقة (على سبيل المثال ، العينات البيولوجية المضمنة بالراتنج) ، أو الطحن الأيوني أو تحضير الحز...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للكشف عنه.

Acknowledgements

تم إجراء جميع تجارب AFM في مختبر علوم السطح بجامعة ولاية بويز (SSL). تم إجراء توصيف SEM في مركز ولاية بويز لتوصيف المواد (BSCMC). تم دعم الأبحاث الواردة في هذا المنشور فيما يتعلق بالمواد الأولية للوقود الحيوي جزئيا من قبل وزارة الطاقة الأمريكية ، ومكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة ، ومكتب تقنيات الطاقة الحيوية كجزء من اتحاد واجهة تحويل المواد الخام (FCIC) ، وبموجب عقد مكتب عمليات وزارة الطاقة في أيداهو DE-AC07-051ID14517. تم دعم دراسات ميكانيكا الخلية من قبل المعاهد الوطنية للصحة (الولايات المتحدة الأمريكية) بموجب منح AG059923 و AR075803 و P20GM109095 ، ومن قبل مؤسسة العلوم الوطنية (الولايات المتحدة الأمريكية) منح 1929188 و 2025505. تم دعم عمل أنظمة الطبقة الثنائية الدهنية النموذجية من قبل المعاهد الوطنية للصحة (الولايات المتحدة الأمريكية) بموجب منحة R01 EY030067. يشكر المؤلفون الدكتور إلتون جراوجنارد على إنتاج الصورة المركبة الموضحة في الشكل 11.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Atomic force microscopeBrukerDimension IconUses Nanoscope control software, including PeakForce Quantitative Nanomechanical Mapping (PF-QNM), FastForce Volume (FFV), and Point-and-Shoot Ramping experimental workspaces
AtomicJAmerican Institute of Physicshttps://doi.org/10.1063/1.4881683Flexible, powerful, free open source Java-based force curve analysis software package. Supports numerous contact mechanic models, such as Hertz, Sneddon DMT, JKR, Maugis, and cone or pyramid (including blunt and truncated). Also includes a variety of initial contact point estimation methods to choose from. Supports batch processing of data and subsequent statistical analysis (e.g., averages, standard deviations, histograms, goodness of fit, etc.). Literature citation is: P. Hermanowicz, M. Sarna, K. Burda, and H. Gabryfigure-materials-905, “AtomicJ: An open source software for analysis of force curves” Rev. Sci. Instrum. 85: 063703 (2014), https://doi.org/10.1063/1.4881683
Buffer solution (PBS)Fisher Chemical (NaCl), Sigma Aldrich (KCl), Fisher BioReagents (Na2HPO4 and KH2PO4)S271 (>99% purity NaCl), P9541 (>99% purity KCl), BP332(>99% purity Na2HPO4), BP362 (>99% purity KH2PO4)Phosphate buffered saline (PBS) was prepared in the laboratory as an aqueous solution consisting of 137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4, and 1.8 mM KH2PO4 dissolved in ultrapure water. Reagents were measured out using an analytical balance, and glassware was cleaned with soap and water followed by autoclaving immediately prior to use.
Chloroform
Diamond tip AFM probeBrukerPDNISPPre-mounted factory-calibrated cube corner diamond (E = 1140 GPa) tip AFM probe (nominal R = 40 nm) with a stainless steel cantilever (nominal k = 225 N/m, f0 = 50 kHz). Spring constant is measured at the factory (k = 256 N/m for the probe, Serial #13435414, used here) and calibration data (including AFM images of indents showing probe geometry) is provided with the probe.
Diamond ultramicrotome bladeDiatomeUltra 35°2.1 mm width. Also used a standard glass blade for intial rough cut of sample surface before transitioning to diamond blade for final surface preparation
EpoxyGorilla Glue26853-31-6Epoxy resin and hardner were mixed in a 1:1 ratio, a small drop was placed on a stainless steel sample puck (Ted Pella), and V1 grade muscovite mica (Ted Pella) was attached to create an atomically flat surface for preparation of phospholipid membranes.
Ethanol
LR white resin, medium grade (catalyzed)Electron Microscopy Sciences14381500 mL bottle, Lot #150629
Mesenchymal stem cells (MSCs)N/AN/AMSCs for nanomechanical studies were primary cells harvested from 8-10 week old male C57BL/6 mice as described in Goelzer, M. et al. "Lamin A/C Is Dispensable to Mechanical Repression of Adipogenesis" Int J Mol Sci 22: 6580 (2021) doi:10.3390/ijms22126580 and Peister, A. et al. "Adult stem cells from bone marrow (MSCs) isolated from different strains of inbred mice vary in surface epitopes, rates of proliferation, and differentiation potential" Blood 103: 1662-1668 (2004), doi:10.1182/blood-2003-09-3070.
Modulus standardsBrukerPFQNM-SMPKIT-12MUsed HOPG (E = 18 GPa) and PS (E = 2.7 GPa). Also contains 2x PDMS (Tack 0, E = 2.5 MPa; Tack 4, E = 3.5 MPa), PS-LDPE (E = 2.0/0.2 GPa), fused silica (E = 72.9 GPa), sapphire (E - 345 GPa), and tip characterization (titanium roughness) sample. All samples come pre-mounted on a 12 mm diameter steel disc (sample puck).
Muscovite micaTed Pella50-1212 mm diameter, V1 grade muscovite mica
Nanscope AnalysisBrukerVersion 2.0Free AFM image processing and analysis software package, but designed for, and proprietary/limited to Bruker AFMs; similar functionality is available from free, platform-independent AFM image processing and analysis software packages such as Gwyddion, WSxM, and others. Has built-in capabilities for force curve analysis, but AtomicJ is more flexible/full featured (e.g., more built-in contact mechanics models to choose from, statistical analysis of force curve fitting results, etc.) for force curve analysis and handles batch processing of force curves.
Phospholipids: POPC, Cholesterol (ovine)Avanti Polar LipidsPOPC: CAS # 26853-31-6, Cholesterol: CAS # 57-88-5POPC lipid dissolved in chloroform (25 mg/mL) was obtained from vendor and used without further purification. Cholesterol powder from the same vendor was dissolved in chloroform (20 mg/mL). 
Probe holder (fluid, lipid bilayers)BrukerMTFML-V2Specific to the particular AFM used; MTFML-V2 is a glass probe holder for scanning in fluid on a MultiMode AFM.
Probe holder (fluid, MSCs)BrukerFastScan Bio Z-scannerUsed with Dimension FastScan head (XY flexure scanners). Serial number MXYPOM5-1B154.
Probe holder (standard, ambient)BrukerDAFMCHSpecific to the particular AFM used; DAFMCH is the standard contact and tapping mode probe holder for the Dimension Icon AFM, suitable for nanoindentation (PF-QNM, FFV, and point-and-shoot ramping)
Sample PuckTed Pella16218Product number is for 15 mm diameter stainless steel sample puck. Also available in 6 mm, 10 mm, 12 mm, and 20 mm diameters at https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459
Sapphire substrateBrukerPFQNM-SMPKIT-12MExtremely hard surface (E = 345 GPa) for measuring deflection sensitivity of probes (want all of the deflection to come from the probe, not the substrate). Part of the PF-QNM/modulus standards kit.
Scanning electron microscopeHitachiS-3400N-IILocated at Boise State. Used to perform co-localized SEM/EDS on all samples except additively manufactured (AM) Ti-6Al-4V.
Silicon AFM probes (standard)NuNanoScout 350Standard tapping mode silicon probe with reflective aluminum backside coating; k = 42 N/m (nominal), f0 = 350 kHz. Nominal R = 5 nm. Also available uncoated or with reflective gold backside coating. Probes with similar specifications are available from other manufacturers (e.g., Bruker TESPA-V2).
Silicon AFM probes (stiff)BrukerRTESPA-525, RTESPA-525-30 Rotated tip etched silicon probes with reflective aluminum backside coating; k = 200 N/m (nominal), f0 = 525 kHz. Nominal R = 8 nm for RTESPA-525, R = 30 nm for RTESPA-525-30. Spring constant of each RTESPA-525-30 is measured individually at the factory via laser Doppler vibrometry and supplied with the probe.
Silicon carbide grit paper (abrasive discs)Allied50-10005120 grit
Silicon nitride AFM probes (soft, large radius hemispherical tip)BrukerMLCT-SPH-5UM, MLCT-SPH-5UM-DCAlso MLCT-SPH-1UM-DC. New product line of factory-calibrated (probe radius and spring constants of all cantilevers) large radius (R = 1 or 5 mm) hemispherical tip (at the end of a 23 mm long cylindrical shaft) probes. DC = drift compensation coating. 6 cantilevers/probe (A-F). Nominal spring constants: A, k = 0.07 N/m; B, k = 0.02 N/m; C, k = 0.01 N/m; D, k = 0.03 N/m; E, k = 0.1 N/m; F, k = 0.6 N/m.
Silicon nitride AFM probes (soft, medium sharp tip)BrukerDNP4 cantilevers/probe (A-d). Nominal spring constants: A, k = 0.35 N/m; B, k = 0.12 N/m; C, k = 0.24 N/m; D, k = 0.06 N/m. Nominal radii of curvature, R = 10 nm.
Silicon nitride AFM probes (soft, sharp tip)BrukerScanAsyst-AirNominal values: resonance frequency, f0 = 70 kHz; spring constant, k = 0.4 N/m; radius of curvature, R = 2 nm. Designed for force curve based AFM imaging.
SuperglueHenkelLoctite 495Cyanoacrylate based instant adhesive. Lots of roughly equivalent products are readily available.
Syringe pumpNew Era Pump SystemsNE1000USOne channel syringe pump system with infusion and withdrawal capacity
Tip characterization standardBrukerPFQNM-SMPKIT-12MTitanium (Ti) roughness standard. Part of the PF-QNM/modulus standards kit.
Ultrahigh purity nitrogen (UHP N2), 99.999%NorcoSPG TUHPNI - TT size compressed gas cylinder of ultrahigh purity (99.999%) nitrogen for drying samples
UltramicrotomeLeicaEM UC6Equipped with a glass blade (standard, for intial sample preparation) and a diamond blade (for final preparation)
Ultrapure waterThermo FisherBarnstead Nanopure Model 7146Model has been discontinued, but equivalent products are available. Produces ≥18.2 MΩ*cm ultrapure water with 1-5 ppb TOC (total organic content), per inline UV monitoring. Includes 0.2 µm particulate filter, ion exchange columns, and UV oxidation chamber.
Variable Speed GrinderBuehlerEcoMet 3000Used with silicon carbide grit papers during hand polishing.
Vibration isolation table (active)HerzanTS-140Used with Bruker MultiMode AFM. Sits on a TMC 65-531 vibration isolation table. Bruker Dimension Icon AFM utilizes strictly passive vibration isolation (comes from manufacturer with custom acoustic hood, air table, and granite slab).
Vibration isolation table (passive)TMC65-53135" x 30" vibration isolation table with optional air damping (disabled). Used with Bruker MultiMode AFM. Herzan TS-140 "Table Stable" active vibration control table is located on top.

References

  1. Hart, E. W. Theory of the tensile test. Acta Metallurgica. 15 (2), 351-355 (1967).
  2. Fell, J. T., Newton, J. M. Determination of tablet strength by the diametral-compression test. Journal of Pharmaceutical Sciences. 59 (5), 688-691 (1970).
  3. Babiak, M., Gaff, M., Sikora, A., Hysek, Š Modulus of elasticity in three- and four-point bending of wood. Composite Structures. 204, 454-465 (2018).
  4. Song, S., Yovanovich, M. M. Relative contact pressure-Dependence on surface roughness and Vickers microhardness. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2 (1), 43-47 (1988).
  5. Hays, C., Kendall, E. G. An analysis of Knoop microhardness. Metallography. 6 (4), 275-282 (1973).
  6. Hill, R., Storåkers, B., Zdunek, A. B. A theoretical study of the Brinell hardness test. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 423 (1865), 301-330 (1989).
  7. Oliver, W. C., Pharr, G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research. 7 (6), 1564-1583 (1992).
  8. Sakharova, N. A., Fernandes, J. V., Antunes, J. M., Oliveira, M. C. Comparison between Berkovich, Vickers and conical indentation tests: A three-dimensional numerical simulation study. International Journal of Solids and Structures. 46 (5), 1095-1104 (2009).
  9. Cohen, S. R., Kalfon-Cohen, E. Dynamic nanoindentation by instrumented nanoindentation and force microscopy: a comparative review. Beilstein Journal of Nanotechnology. 4 (1), 815-833 (2013).
  10. Saha, R., Nix, W. D. Effects of the substrate on the determination of thin film mechanical properties by nanoindentation. Acta Materialia. 50 (1), 23-38 (2002).
  11. Tsui, T. Y., Pharr, G. M. Substrate effects on nanoindentation mechanical property measurement of soft films on hard substrates. Journal of Materials Research. 14 (1), 292-301 (1999).
  12. Cao, G., Gao, H. Mechanical properties characterization of two-dimensional materials via nanoindentation experiments. Progress in Materials Science. 103, 558-595 (2019).
  13. Castellanos-Gomez, A., Singh, V., vander Zant, H. S. J., Steele, G. A. Mechanics of freely-suspended ultrathin layered materials. Annalen der Physik. 527 (1-2), 27-44 (2015).
  14. Cao, C., Sun, Y., Filleter, T. Characterizing mechanical behavior of atomically thin films: A review. Journal of Materials Research. 29 (3), 338-347 (2014).
  15. Lee, C., Wei, X., Kysar, J. W., Hone, J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science. 321 (5887), 385-388 (2008).
  16. Elibol, K., et al. Visualising the strain distribution in suspended two-dimensional materials under local deformation. Scientific Reports. 6 (1), 28485(2016).
  17. Castellanos-Gomez, A., et al. Mechanical properties of freely suspended atomically thin dielectric layers of mica. Nano Research. 5 (8), 550-557 (2012).
  18. Song, L., et al. Large scale growth and characterization of atomic hexagonal boron nitride layers. Nano Letters. 10 (8), 3209-3215 (2010).
  19. Castellanos-Gomez, A., et al. Elastic properties of freely suspended MoS2 nanosheets. Advanced Materials. 24 (6), 772-775 (2012).
  20. D'Costa, N. P., Hoh, J. H. Calibration of optical lever sensitivity for atomic force microscopy. Review of Scientific Instruments. 66 (10), 5096-5097 (1995).
  21. Wu, Y., et al. Evaluation of elastic modulus and hardness of crop stalks cell walls by nano-indentation. Bioresource Technology. 101 (8), 2867-2871 (2010).
  22. Barns, S., et al. Investigation of red blood cell mechanical properties using AFM indentation and coarse-grained particle method. BioMedical Engineering OnLine. 16 (1), 140(2017).
  23. Hermanowicz, P., Sarna, M., Burda, K., Gabryś, H. AtomicJ: An open source software for analysis of force curves. Review of Scientific Instruments. 85 (6), 063703(2014).
  24. Broitman, E. Indentation hardness measurements at macro-, micro-, and nanoscale: a critical overview. Tribology Letters. 65 (1), 23(2016).
  25. Tiwari, A. Nanomechanical Analysis of High Performance Materials. , Springer. Netherlands. (2015).
  26. Aggarwal, R. L., Ramdas, A. K. Physical Properties of Diamond and Sapphire. , CRC Press. (2019).
  27. Boyd, E. J., Uttamchandani, D. Measurement of the anisotropy of Young's modulus in single-crystal silicon. Journal of Microelectromechanical Systems. 21 (1), 243-249 (2012).
  28. Harding, J. W., Sneddon, I. N. The elastic stresses produced by the indentation of the plane surface of a semi-infinite elastic solid by a rigid punch. Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 41 (1), 16-26 (2008).
  29. Lin, D. C., Dimitriadis, E. K., Horkay, F. Robust strategies for automated AFM force curve analysis-I. Non-adhesive indentation of soft, inhomogeneous materials. Journal of Biomechanical Engineering. 129 (3), 430-440 (2006).
  30. Lin, D. C., Dimitriadis, E. K., Horkay, F. Robust strategies for automated AFM force curve analysis-II: Adhesion-influenced indentation of soft, elastic materials. Journal of Biomechanical Engineering. 129 (6), 904-912 (2007).
  31. Haile, S., Palmer, M., Otey, A. Potential of loblolly pine: switchgrass alley cropping for provision of biofuel feedstock. Agroforestry Systems. 90 (5), 763-771 (2016).
  32. Lu, X., et al. Biomass logistics analysis for large scale biofuel production: Case study of loblolly pine and switchgrass. Bioresource Technology. 183, 1-9 (2015).
  33. Susaeta, A., Lal, P., Alavalapati, J., Mercer, E., Carter, D. Economics of intercropping loblolly pine and switchgrass for bioenergy markets in the southeastern United States. Agroforestry Systems. 86 (2), 287-298 (2012).
  34. Garcia, R. Nanomechanical mapping of soft materials with the atomic force microscope: methods, theory and applications. Chemical Society Reviews. 49 (16), 5850-5884 (2020).
  35. Derjaguin, B. V., Muller, V. M., Toporov, Y. P. Effect of contact deformations on the adhesion of particles. Journal of Colloid and Interface Science. 53 (2), 314-326 (1975).
  36. Ciesielski, P. N., et al. Engineering plant cell walls: tuning lignin monomer composition for deconstructable biofuel feedstocks or resilient biomaterials. Green Chemistry. 16 (5), 2627-2635 (2014).
  37. Liu, K., Ostadhassan, M., Zhou, J., Gentzis, T., Rezaee, R. Nanoscale pore structure characterization of the Bakken shale in the USA. Fuel. 209, 567-578 (2017).
  38. Maryon, O. O., et al. Co-localizing Kelvin probe force microscopy with other microscopies and spectroscopies: selected applications in corrosion characterization of alloys. JoVE. (184), e64102(2022).
  39. Eliyahu, M., Emmanuel, S., Day-Stirrat, R. J., Macaulay, C. I. Mechanical properties of organic matter in shales mapped at the nanometer scale. Marine and Petroleum Geology. 59, 294-304 (2015).
  40. Li, C., et al. Nanomechanical characterization of organic matter in the Bakken formation by microscopy-based method. Marine and Petroleum Geology. 96, 128-138 (2018).
  41. Bouzid, T., et al. The LINC complex, mechanotransduction, and mesenchymal stem cell function and fate. Journal of Biological Engineering. 13 (1), 68(2019).
  42. Dupont, S., et al. Role of YAP/TAZ in mechanotransduction. Nature. 474 (7350), 179-183 (2011).
  43. Wang, S., et al. CCM3 is a gatekeeper in focal adhesions regulating mechanotransduction and YAP/TAZ signalling. Nature Cell Biology. 23 (7), 758-770 (2021).
  44. Sen, B., et al. Mechanical strain inhibits adipogenesis in mesenchymal stem cells by stimulating a durable β-catenin signal. Endocrinology. 149 (12), 6065-6075 (2008).
  45. Sen, B., et al. mTORC2 regulates mechanically induced cytoskeletal reorganization and lineage selection in marrow-derived mesenchymal stem cells. Journal of Bone and Mineral Research. 29 (1), 78-89 (2014).
  46. Sen, B., et al. Mechanically induced nuclear shuttling of β-catenin requires co-transfer of actin. Stem Cells. 40 (4), 423-434 (2022).
  47. Newberg, J., et al. Isolated nuclei stiffen in response to low intensity vibration. Journal of Biomechanics. 111, 110012(2020).
  48. Ding, Y., Xu, G. -K., Wang, G. -F. On the determination of elastic moduli of cells by AFM based indentation. Scientific Reports. 7 (1), 45575(2017).
  49. Khadka, N. K., Timsina, R., Rowe, E., O'Dell, M., Mainali, L. Mechanical properties of the high cholesterol-containing membrane: An AFM study. Biochimica et Biophysica Acta. Biomembranes. 1863 (8), 183625(2021).
  50. Castellana, E. T., Cremer, P. S. Solid supported lipid bilayers: From biophysical studies to sensor design. Surface Science Reports. 61 (10), 429-444 (2006).
  51. Qian, L., Zhao, H. Nanoindentation of soft biological materials. Micromachines. 9 (12), 654(2018).
  52. Pittenger, B., Yablon, D. Improving the accuracy of nanomechanical measurements with force-curve-based AFM techniques. Bruker Application Notes. 149, (2017).
  53. Vorselen, D., Kooreman, E. S., Wuite, G. J. L., Roos, W. H. Controlled tip wear on high roughness surfaces yields gradual broadening and rounding of cantilever tips. Scientific Reports. 6 (1), 36972(2016).
  54. Bhaskaran, H., et al. Ultralow nanoscale wear through atom-by-atom attrition in silicon-containing diamond-like carbon. Nature Nanotechnology. 5 (3), 181-185 (2010).
  55. Giannazzo, F., Schilirò, E., Greco, G., Roccaforte, F. Conductive atomic force microscopy of semiconducting transition metal dichalcogenides and heterostructures. Nanomaterials. 10 (4), 803(2020).
  56. Melitz, W., Shen, J., Kummel, A. C., Lee, S. Kelvin probe force microscopy and its application. Surface Science Reports. 66 (1), 1-27 (2011).
  57. Kazakova, O., et al. Frontiers of magnetic force microscopy. Journal of Applied Physics. 125 (6), 060901(2019).
  58. Kim, H. -J., Yoo, S. -S., Kim, D. -E. Nano-scale wear: A review. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 13 (9), 1709-1718 (2012).
  59. Heath, G. R., et al. Localization atomic force microscopy. Nature. 594 (7863), 385-390 (2021).
  60. Strahlendorff, T., Dai, G., Bergmann, D., Tutsch, R. Tip wear and tip breakage in high-speed atomic force microscopes. Ultramicroscopy. 201, 28-37 (2019).
  61. Lantz, M. A., et al. Wear-resistant nanoscale silicon carbide tips for scanning probe applications. Advanced Functional Materials. 22 (8), 1639-1645 (2012).
  62. Khurshudov, A. G., Kato, K., Koide, H. Wear of the AFM diamond tip sliding against silicon. Wear. 203, 22-27 (1997).
  63. Villarrubia, J. S. Algorithms for scanned probe microscope image simulation, surface reconstruction, and tip estimation. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 102 (4), 425(1997).
  64. Kain, L., et al. Calibration of colloidal probes with atomic force microscopy for micromechanical assessment. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 85, 225-236 (2018).
  65. Slattery, A. D., Blanch, A. J., Quinton, J. S., Gibson, C. T. Accurate measurement of Atomic Force Microscope cantilever deflection excluding tip-surface contact with application to force calibration. Ultramicroscopy. 131, 46-55 (2013).
  66. Dobrovinskaya, E. R., Lytvynov, L. A., Pishchik, V. Sapphire: Material, Manufacturing, Applications. , Springer US. (2009).
  67. te Riet, J., et al. Interlaboratory round robin on cantilever calibration for AFM force spectroscopy. Ultramicroscopy. 111 (12), 1659-1669 (2011).
  68. Pratt, J. R., Shaw, G. A., Kumanchik, L., Burnham, N. A. Quantitative assessment of sample stiffness and sliding friction from force curves in atomic force microscopy. Journal of Applied Physics. 107 (4), 044305(2010).
  69. Slattery, A. D., Blanch, A. J., Quinton, J. S., Gibson, C. T. Calibration of atomic force microscope cantilevers using standard and inverted static methods assisted by FIB-milled spatial markers. Nanotechnology. 24 (1), 015710(2012).
  70. Higgins, M. J., et al. Noninvasive determination of optical lever sensitivity in atomic force microscopy. Review of Scientific Instruments. 77 (1), 013701(2006).
  71. Lévy, R., Maaloum, M. Measuring the spring constant of atomic force microscope cantilevers: thermal fluctuations and other methods. Nanotechnology. 13 (1), 33-37 (2001).
  72. Sikora, A. Quantitative normal force measurements by means of atomic force microscopy towards the accurate and easy spring constant determination. Nanoscience and Nanometrology. 2 (1), 8-29 (2016).
  73. Ohler, B. Cantilever spring constant calibration using laser Doppler vibrometry. Review of Scientific Instruments. 78 (6), 063701(2007).
  74. Gates, R. S., Pratt, J. R. Accurate and precise calibration of AFM cantilever spring constants using laser Doppler vibrometry. Nanotechnology. 23 (37), 375702(2012).
  75. Cleveland, J. P., Manne, S., Bocek, D., Hansma, P. K. A nondestructive method for determining the spring constant of cantilevers for scanning force microscopy. Review of Scientific Instruments. 64 (2), 403-405 (1993).
  76. Sader, J. E., Chon, J. W. M., Mulvaney, P. Calibration of rectangular atomic force microscope cantilevers. Review of Scientific Instruments. 70 (10), 3967-3969 (1999).
  77. Sader, J. E., et al. Spring constant calibration of atomic force microscope cantilevers of arbitrary shape. Review of Scientific Instruments. 83 (10), 103705(2012).
  78. Sader, J. E. Frequency response of cantilever beams immersed in viscous fluids with applications to the atomic force microscope. Journal of Applied Physics. 84 (1), 64-76 (1998).
  79. Sader, J. E., Pacifico, J., Green, C. P., Mulvaney, P. General scaling law for stiffness measurement of small bodies with applications to the atomic force microscope. Journal of Applied Physics. 97 (12), 124903(2005).
  80. Mendels, D. -A., et al. Dynamic properties of AFM cantilevers and the calibration of their spring constants. Journal of Micromechanics and Microengineering. 16 (8), 1720-1733 (2006).
  81. Gao, S., Brand, U. In-situ nondestructive characterization of the normal spring constant of AFM cantilevers. Measurement Science and Technology. 25 (4), 044014(2014).
  82. Gibson, C. T., Watson, G. S., Myhra, S. Determination of the spring constants of probes for force microscopy/spectroscopy. Nanotechnology. 7 (3), 259-262 (1996).
  83. Gates, R. S., Pratt, J. R. Prototype cantilevers for SI-traceable nanonewton force calibration. Measurement Science and Technology. 17 (10), 2852-2860 (2006).
  84. Neumeister, J. M., Ducker, W. A. Lateral, normal, and longitudinal spring constants of atomic force microscopy cantilevers. Review of Scientific Instruments. 65 (8), 2527-2531 (1994).
  85. Kim, M. S., Choi, I. M., Park, Y. K., Kang, D. I. Atomic force microscope probe calibration by use of a commercial precision balance. Measurement. 40 (7), 741-745 (2007).
  86. Kim, M. -S., Choi, J. -H., Park, Y. -K., Kim, J. -H. Atomic force microscope cantilever calibration device for quantified force metrology at micro- or nano-scale regime: the nano force calibrator (NFC). Metrologia. 43 (5), 389-395 (2006).
  87. Tian, Y., et al. A novel method and system for calibrating the spring constant of atomic force microscope cantilever based on electromagnetic actuation. Review of Scientific Instruments. 89 (12), 125119(2018).
  88. Clifford, C. A., Seah, M. P. The determination of atomic force microscope cantilever spring constants via dimensional methods for nanomechanical analysis. Nanotechnology. 16 (9), 1666-1680 (2005).
  89. Chen, B. -Y., Yeh, M. -K., Tai, N. -H. Accuracy of the spring constant of atomic force microscopy cantilevers by finite element method. Analytical Chemistry. 79 (4), 1333-1338 (2007).
  90. Mick, U., Eichhorn, V., Wortmann, T., Diederichs, C., Fatikow, S. Combined nanorobotic AFM/SEM system as novel toolbox for automated hybrid analysis and manipulation of nanoscale objects. 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 4088-4093 (2010).
  91. Kim, M. -S., Choi, J. -H., Kim, J. -H., Park, Y. -K. Accurate determination of spring constant of atomic force microscope cantilevers and comparison with other methods. Measurement. 43 (4), 520(2010).
  92. Zhang, G., Wei, Z., Ferrell, R. E. Elastic modulus and hardness of muscovite and rectorite determined by nanoindentation. Applied Clay Science. 43 (2), 271-281 (2009).
  93. Bobko, C. P., Ortega, J. A., Ulm, F. -J. Comment on "Elastic modulus and hardness of muscovite and rectorite determined by nanoindentation by G. Zhang, Z. Wei and R.E. Ferrell. Applied Clay Science. 46 (4), 425-428 (2009).
  94. Zhang, G., Wei, Z., Ferrell, R. E. Reply to the Comment on "Elastic modulus and hardness of muscovite and rectorite determined by nanoindentation" by G. Zhang, Z. Wei and R. E. Ferrell. Applied Clay Science. 46 (4), 429-432 (2009).
  95. Jin, D. W., et al. Thermal stability and Young's modulus of mechanically exfoliated flexible mica. Current Applied Physics. 18 (12), 1486-1491 (2018).
  96. Xiao, J., et al. Anisotropic friction behaviour of highly oriented pyrolytic graphite. Carbon. 65, 53-62 (2013).
  97. Hertz, H. Ueber die Berührung fester elastischer Körper. Journal für die reine und angewandte Mathematik. 1882 (92), 156-171 (1882).
  98. Johnson, K. L., Kendall, K., Roberts, A. D., Tabor, D. Surface energy and the contact of elastic solids. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 324 (1558), 301-313 (1971).
  99. Muller, V. M., Derjaguin, B. V., Toporov, Y. P. On two methods of calculation of the force of sticking of an elastic sphere to a rigid plane. Colloids and Surfaces. 7 (3), 251-259 (1983).
  100. Maugis, D. Adhesion of spheres: The JKR-DMT transition using a dugdale model. Journal of Colloid and Interface Science. 150 (1), 243-269 (1992).
  101. Muller, V. M., Yushchenko, V. S., Derjaguin, B. V. On the influence of molecular forces on the deformation of an elastic sphere and its sticking to a rigid plane. Journal of Colloid and Interface Science. 77 (1), 91-101 (1980).
  102. Muller, V. M., Yushchenko, V. S., Derjaguin, B. V. General theoretical consideration of the influence of surface forces on contact deformations and the reciprocal adhesion of elastic spherical particles. Journal of Colloid and Interface Science. 92 (1), 92-101 (1983).
  103. Johnson, K. L., Greenwood, J. A. An adhesion map for the contact of elastic spheres. Journal of Colloid and Interface Science. 192 (2), 326-333 (1997).
  104. Shi, X., Zhao, Y. -P. Comparison of various adhesion contact theories and the influence of dimensionless load parameter. Journal of Adhesion Science and Technology. 18 (1), 55-68 (2004).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

190

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved