Name: atomic force microscopy cantilever-based nanoindentation: mechanical property measurements at the nanoscale in air and fluid
Uploaded: 2022-12-02T13:10:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanical Property Measurements at the Nanoscale in Air and Fluid at JoVE.com

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.

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...

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...

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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64497/64497fig01.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64497/64497fig01large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
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]):
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq01.jpg" style="margin: auto;">(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):
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq02.jpg" style="margin: auto;">(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):
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq03.jpg" style="margin: auto;">(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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Atomic force microscope</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>Dimension Icon</td>
			<td>Uses Nanoscope control software, including PeakForce Quantitative Nanomechanical Mapping (PF-QNM), FastForce Volume (FFV), and Point-and-Shoot Ramping experimental workspaces</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AtomicJ</td>
			<td>American Institute of Physics</td>
			<td>https://doi.org/10.1063/1.4881683</td>
			<td>Flexible, 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. Gabry<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq05.jpg" style="margin: auto;" />, &#8220;AtomicJ: An open source software for analysis of force curves&#8221; Rev. Sci. Instrum. 85: 063703 (2014), https://doi.org/10.1063/1.4881683</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buffer solution (PBS)</td>
			<td>Fisher Chemical (NaCl), Sigma Aldrich (KCl), Fisher BioReagents (Na2HPO4 and KH2PO4)</td>
			<td>S271 (&#62;99% purity NaCl), P9541 (&#62;99% purity KCl), BP332(&#62;99% purity Na2HPO4), BP362 (&#62;99% purity KH2PO4)</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chloroform</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diamond tip AFM probe</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>PDNISP</td>
			<td>Pre-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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diamond ultramicrotome blade</td>
			<td>Diatome</td>
			<td>Ultra 35&#176;</td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy</td>
			<td>Gorilla Glue</td>
			<td>26853-31-6</td>
			<td>Epoxy 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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LR white resin, medium grade (catalyzed)</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>14381</td>
			<td>500 mL bottle, Lot #150629</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mesenchymal stem cells (MSCs)</td>
			<td>N/A</td>
			<td>N/A</td>
			<td>MSCs for nanomechanical studies were primary cells harvested from 8-10 week old male C57BL/6 mice as described in Goelzer, M. et al. &#34;Lamin A/C Is Dispensable to Mechanical Repression of Adipogenesis&#34; Int J Mol Sci 22: 6580 (2021) doi:10.3390/ijms22126580 and Peister, A. et al. &#34;Adult stem cells from bone marrow (MSCs) isolated from different strains of inbred mice vary in surface epitopes, rates of proliferation, and differentiation potential&#34; Blood 103: 1662-1668 (2004), doi:10.1182/blood-2003-09-3070.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Modulus standards</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>PFQNM-SMPKIT-12M</td>
			<td>Used 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).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Muscovite mica</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>50-12</td>
			<td>12 mm diameter, V1 grade muscovite mica</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nanscope Analysis</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>Version 2.0</td>
			<td>Free 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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phospholipids: POPC, Cholesterol (ovine)</td>
			<td>Avanti Polar Lipids</td>
			<td>POPC: CAS # 26853-31-6, Cholesterol: CAS # 57-88-5</td>
			<td>POPC 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).&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Probe holder (fluid, lipid bilayers)</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>MTFML-V2</td>
			<td>Specific to the particular AFM used; MTFML-V2 is a glass probe holder for scanning in fluid on a MultiMode AFM.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Probe holder (fluid, MSCs)</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>FastScan Bio Z-scanner</td>
			<td>Used with Dimension FastScan head (XY flexure scanners). Serial number MXYPOM5-1B154.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Probe holder (standard, ambient)</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>DAFMCH</td>
			<td>Specific 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)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample Puck</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>16218</td>
			<td>Product 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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sapphire substrate</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>PFQNM-SMPKIT-12M</td>
			<td>Extremely 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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning electron microscope</td>
			<td>Hitachi</td>
			<td>S-3400N-II</td>
			<td>Located at Boise State. Used to perform co-localized SEM/EDS on all samples except additively manufactured (AM) Ti-6Al-4V.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon AFM probes (standard)</td>
			<td>NuNano</td>
			<td>Scout 350</td>
			<td>Standard 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).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon AFM probes (stiff)</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>RTESPA-525, RTESPA-525-30&#160;</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon carbide grit paper (abrasive discs)</td>
			<td>Allied</td>
			<td>50-10005</td>
			<td>120 grit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon nitride AFM probes (soft, large radius hemispherical tip)</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>MLCT-SPH-5UM, MLCT-SPH-5UM-DC</td>
			<td>Also 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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon nitride AFM probes (soft, medium sharp tip)</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>DNP</td>
			<td>4 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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon nitride AFM probes (soft, sharp tip)</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>ScanAsyst-Air</td>
			<td>Nominal 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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Superglue</td>
			<td>Henkel</td>
			<td>Loctite 495</td>
			<td>Cyanoacrylate based instant adhesive. Lots of roughly equivalent products are readily available.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>New Era Pump Systems</td>
			<td>NE1000US</td>
			<td>One channel syringe pump system with infusion and withdrawal capacity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tip characterization standard</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>PFQNM-SMPKIT-12M</td>
			<td>Titanium (Ti) roughness standard. Part of the PF-QNM/modulus standards kit.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrahigh purity nitrogen (UHP N2), 99.999%</td>
			<td>Norco</td>
			<td>SPG TUHPNI - T</td>
			<td>T size compressed gas cylinder of ultrahigh purity (99.999%) nitrogen for drying samples</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultramicrotome</td>
			<td>Leica</td>
			<td>EM UC6</td>
			<td>Equipped with a glass blade (standard, for intial sample preparation) and a diamond blade (for final preparation)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrapure water</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>Barnstead Nanopure Model 7146</td>
			<td>Model has been discontinued, but equivalent products are available. Produces &#8805;18.2 M&#937;*cm ultrapure water with 1-5 ppb TOC (total organic content), per inline UV monitoring. Includes 0.2 &#181;m particulate filter, ion exchange columns, and UV oxidation chamber.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Variable Speed Grinder</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>EcoMet 3000</td>
			<td>Used with silicon carbide grit papers during hand polishing.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vibration isolation table (active)</td>
			<td>Herzan</td>
			<td>TS-140</td>
			<td>Used 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).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vibration isolation table (passive)</td>
			<td>TMC</td>
			<td>65-531</td>
			<td>35&#34; x 30&#34; vibration isolation table with optional air damping (disabled). Used with Bruker MultiMode AFM. Herzan TS-140 &#34;Table Stable&#34; active vibration control table is located on top.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

atomic force microscopy cantilever-based nanoindentation: mechanical property measurements at the nanoscale in air and fluid

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.

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...

Watch this Scientific Journal Video about Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanical Property Measurements at the Nanoscale in Air and Fluid at JoVE.com

Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanical Property Measurements at the Nanoscale in Air and Fluid

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.

القوة الذرية المجهرية المسافة البادئة القائمة على الكابولي: قياسات الخواص الميكانيكية على المستوى النانوي في الهواء والسوائل

An atomic force microscope (AFM) fundamentally measures the interaction between a nanoscale AFM probe tip and the sample surface. If the force applied by ...

يمكن استخدام مجهر القوة الذرية ، أو المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM ، لتحديد الخواص الميكانيكية النانوية للمواد التي تتراوح بين معامل ، من كيلوباسكال إلى جيجا باسكال في كل من الهواء والسوائل. تتيح المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM التصوير الطبوغرافي المموقع المشترك وقياسات الخصائص الميكانيكية الكمية في الموقع بدقة ودقة نانوية على مجموعة واسعة من المواد والبيئات ذات الصلة. يمكن استخدام المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM للتمييز بين الهياكل أو الأنسجة أو الخلايا السليمة والمرضية التي تظهر خصائص ميكانيكية متباينة.يتطلب التحديد الدقيق لمنطقة تلامس عينة الطرف والقوة المطبقة أثناء المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي معايرة دقيقة لمسبار AFM ، وهو أمر صعب ولكنه ضروري لقياسات الخصائص الميكانيكية النانوية الكمية. للبدء ، حدد مجهر القوة الذرية المناسب أو مسبار AFM للمسافة البادئة النانوية للعينة المقصودة بناء على الوسيط والمعامل المتوقع وتضاريس العينة وأحجام الميزات ذات الصلة. قم بتحميل المسبار على حامل المسبار وقم بتوصيل حامل المسبار برأس مسح AFM.حدد وضع المسافة البادئة النانوية المناسب في برنامج AFM الذي يوفر للمستخدم التحكم في المنحدرات الفردية. قم بمحاذاة الليزر على الجزء الخلفي من ناتئ المسبار المقابل لموقع طرف المسبار وفي كاشف حساسية الموضع أو PSD. قم بتوسيط بقعة شعاع الليزر على الجزء الخلفي من الكابولي عن طريق زيادة الجهد الكلي.بعد ذلك ، قم بتوسيط بقعة شعاع الليزر المنعكسة على PSD عن طريق ضبط إشارات الانحراف الرأسي والأفقي لتكون قريبة من الصفر قدر الإمكان ، وبالتالي توفير أقصى نطاق انحراف يمكن اكتشافه لإنتاج جهد خرج يتناسب مع انحراف الكابولي. قم بمعايرة حساسية الانحراف ، أو DS ، لنظام AFM للمسبار. للقيام بذلك ، قم بإعداد وتنفيذ المسافات البادئة لمعايرة DS على Sapphire لتحقيق نفس انحراف المسبار تقريبا مثل المسافات البادئة للعينة المخطط لها نظرا لأن الإزاحة المقاسة هي دالة لزاوية انحراف الطرف وتصبح غير خطية للانحرافات الكبيرة.كرر المنحدر خمس مرات. حدد DS بالنانومتر لكل فولت أو حساسية الرافعة الضوئية العكسية والفولت لكل نانومتر من ميل الجزء الخطي من نظام الاتصال بعد نقطة الاتصال الأولية في منحنى إزاحة القوة الناتج ، أو FD. استخدم متوسط القيم لتحقيق أقصى قدر من الدقة.إذا تجاوز الانحراف المعياري النسبي 1٪ ، فأعد قياس DS ، حيث تكون منحنيات FD القليلة الأولى في بعض الأحيان غير مثالية بسبب الإدخال الأولي لقوى اللصق. إذا لم يتم معايرة ثابت زنبرك الكابولي للمسبار K في المصنع ، فقم بمعايرة ثابت الزنبرك. إذا لم يكن المسبار يحتوي على قياس نصف قطر طرف تمت معايرته في المصنع ، فقم بقياس نصف قطر الطرف الفعال R.في حالة استخدام طريقة إعادة بناء الطرف الأعمى ، قم بتصوير توصيف الطرف أو عينة الخشونة باستخدام معدل مسح بطيء ومكاسب عالية في ردود الفعل للمساعدة في تحسين تتبع الميزات الحادة للغاية.اختر حجم الصورة وكثافة البكسل بناء على نصف قطر الطرف المتوقع. بعد ذلك ، استخدم برنامج تحليل الصور AFM لنمذجة طرف المسبار وتقدير نصف قطره النهائي وقطر الطرف الفعال عند عمق المسافة البادئة المتوقعة للعينة. عند الانتهاء من معايرة المسبار ، أدخل قيم DS و K و R في البرنامج.وأخيرا، أدخل تقديرا لنسبة بواسون للعينة لتحويل معامل الاختزال المقاس إلى معامل العينة الفعلي. في حالة استخدام نموذج ميكانيكا اتصال مخروطي أو مخروطي الشكل بناء على شكل الطرف وعمق المسافة البادئة ، فإن إدخال نصف زاوية الطرف ضروري. تنقل في العينة تحت رأس AFM وشارك في المنطقة التي تريدها موضع الاهتمام.راقب إشارة الانحراف الرأسي أو قم بإجراء منحدر أولي صغير للتحقق من أن الطرف والعينة على اتصال. اضبط موضع رأس AFM لأعلى قليلا وانحنى مرة أخرى. كرر حتى يصبح الطرف والعينة بعيدين عن الاتصال ، كما يتضح من منحدر مسطح تقريبا والحد الأدنى من الانحراف الرأسي للناتئ.بمجرد عدم وجود تفاعل واضح لعينة الطرف ، قم بخفض رأس AFM بمقدار يعادل حوالي 50٪ من حجم المنحدر لضمان عدم اصطدام طرف المسبار بالعينة أثناء تحريك رأس AFM يدويا. منحدر مرة أخرى ، كرر حتى يتم ملاحظة منحنى جيد. اضبط معلمات المنحدر.حدد حجم منحدر مناسب حسب العينة وعمق المسافة البادئة المطلوب. ثم حدد معدل منحدر مناسب. هيرتز واحد هو نقطة انطلاق جيدة لمعظم العينات.اضبط عدد العينات لكل منحدر لتحقيق الدقة المطلوبة للقياس. اضبط X Rotate لتقليل قوى القص على العينة والطرف عن طريق تحريك المسبار قليلا في نفس الوقت في الاتجاه X أثناء المسافة البادئة في الاتجاه Z. استخدم قيمة ل X Rotate تساوي زاوية إزاحة حامل المسبار بالنسبة إلى السطح الطبيعي.بعد ذلك ، اختر ما إذا كنت تريد استخدام منحدر تم تشغيله أو لم يتم تشغيله. إذا تم اختيار منحدر تم تشغيله، فاضبط عتبة الزناد لينتج عنها المسافة البادئة المطلوبة في العينة. قم بإجراء مسافة بادئة في الموقع المختار.حدد وتحميل البيانات المراد تحليلها في البرنامج. قيم معايرة الإدخال لثابت الزنبرك ، DS ، أو حساسية الذراع الضوئية العكسية ، ونصف قطر طرف المسبار ، جنبا إلى جنب مع تقدير لنسبة بواسون للعينة. اختر نموذج ميكانيكا ملامسة المسافة البادئة النانوية المناسب للطرف والعينة.قم بتشغيل خوارزمية التركيب. تحقق من التركيب المناسب لمنحنيات FD. يشير الخطأ المتبقي المنخفض المقابل لمتوسط R تربيع بالقرب من الوحدة إلى ملاءمة جيدة للنموذج المختار.إذا رغبت في ذلك ، قم بفحص المنحنيات الفردية بشكل موضعي لفحص المنحنى بصريا وملاءمة النموذج ونقاط الاتصال المحسوبة. يتم عرض منحنيات FD شبه المثالية التي تم الحصول عليها في الهواء على عينة صنوبر لوبلولي مدمجة بالراتنج وفي محلول ملحي مخزن بالفوسفات على نواة الخلايا الجذعية الوسيطة. مع مسبار السيليكون ، تعرض الطرف لتآكل كبير بالنسبة لحالته الأصلية الأولية طوال فترة التصوير.مع كل صورة لاحقة ، يصبح الطرف أكثر تقريبا بشكل تدريجي. على عكس مسبار الماس ، لم يتغير نصف قطر الطرف ضمن حدود طريقة إعادة بناء الطرف الأعمى ، مما يسلط الضوء على مقاومة التآكل الشديدة للماس . صورة تضاريس AFM تغطي خلايا متعددة مع تصوير 3D زائف وخريطة معامل المقابلة لعينة صنوبر loblolly معروضة هنا.تظهر خريطة المعامل المشتقة من AFM التي تم إنشاؤها أثناء الحصول على صورة AFM أن إدراج المعادن في وسط الصور أصعب بكثير من المصفوفة العضوية المحيطة. يظهر تأثير نصف قطر طرف المسبار وشكله على ظهور ميزات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية لعينة الصخر الزيتي Bakken. لم تظهر المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي على الخلايا الجذعية الوسيطة والنوى المعزولة أي فرق إحصائي في معامل المرونة.يتم توضيح التشكل والخصائص الميكانيكية للطبقات الثنائية الدهنية المحتوية على الكوليسترول التي درستها AFM هنا. تعد معايرة المسبار المناسبة واختيار معلمات المنحدر المناسبة في نماذج ميكانيكا الاتصال ضرورية لإجراء قياسات نانوية ميكانيكية دقيقة. بالإضافة إلى تمكين القياسات المعيارية المرنة ، يمكن استخدام المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM للتحقق من قوة التمزق أو قوة اختراق طبقات الفوسفوليبيد المزدوجة في ظل الظروف الفسيولوجية ذات الصلة.مكنت المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM من التحقيق في آثار الضربات القاضية الهيكلية ، والعلاجات الصيدلانية ، والاهتزازات منخفضة الكثافة لمحاكاة التمرين على الخواص الميكانيكية لنوى الخلايا الجذعية الوسيطة.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Deflection of Beams

SCIENTISTS IN ACTION

Concurrent Quantitative Conductivity and Mechanical Properties Measurements of Organic Photovoltaic Materials using AFM

الكمية التوصيل المتزامن والخصائص الميكانيكية للمواد القياسات الضوئية العضوية باستخدام AFM

Organic photovoltaic  (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale  inhomogeneity of OPV materials affects performance ...

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

تصنيع تجاويف نانوية موحدة عبر الترابط رقاقة السيليكون المباشر

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Atomic Force Microscopy of Red-Light Photoreceptors Using PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping

القوة الذرية الميكروسكوب من الضوء الأحمر الخلايا المستقبلة عن طريق رسم الخرائط PeakForce الكمية النانوميكانيكية الملكية

Atomic force microscopy (AFM) uses a pyramidal tip attached to a cantilever to probe the force response of a surface. The deflections of the tip can be ...

Preparation and Friction Force Microscopy Measurements of Immiscible, Opposing Polymer Brushes

إعداد والاحتكاك قوة المجهر قياسات للامتزاج، معارضة فرش بوليمر

Solvated polymer brushes are well known to lubricate high-pressure contacts, because they can sustain a positive normal load while maintaining low ...

Sub-nanometer Resolution Imaging with Amplitude-modulation Atomic Force Microscopy in Liquid

نانومتر الفرعي التصوير القرار مع السعة التشكيل الذرية المجهري القوة في السائل

Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown ...

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

قياس الكم التدخل في المصدر السيليكون الدائري الرنان فوتون

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

Nanoscale Characterization of Liquid-Solid Interfaces by Coupling Cryo-Focused Ion Beam Milling with Scanning Electron Microscopy and Spectroscopy

توصيف المقياس النانوي للواجهات السائلة الصلبة عن طريق اقتران طحن الحزمة الأيونية المركزة على التبريد مع المجهر الإلكتروني الماسح والتحليل الطيفي

Physical and chemical processes at solid-liquid interfaces play a crucial role in many natural and technological phenomena, including catalysis, solar ...

Optimizing Magnetic Force Microscopy Resolution and Sensitivity to Visualize Nanoscale Magnetic Domains

تحسين دقة الفحص المجهري للقوة المغناطيسية والحساسية لتصور المجالات المغناطيسية النانوية

Magnetic force microscopy (MFM) enables mapping local magnetic fields across a sample surface with nanoscale resolution. To perform MFM, an atomic force ...

صفيفات ناتئة نشطة متوازية في نظام AFMS لتمكين عمليات الفحص عالية الإنتاجية

Active Probe Atomic Force Microscopy with Quattro-Parallel Cantilever Arrays for High-Throughput Large-Scale Sample Inspection

تسليط الضوء على المؤلف: مقدمة في الفحص المجهري للقوة الذرية للمسبار النشط مع صفائف ناتئ متوازية Quattro

مجهر القوة الذرية للمسبار النشط مع صفائف ناتئة متوازية Quattro لفحص العينات على نطاق واسع عالي الإنتاجية

An Atomic Force Microscope&#160;(AFM) is&#160;a powerful and versatile tool for nanoscale surface studies to capture 3D topography images of samples. ...