Name: atomic force microscopy cantilever-based nanoindentation: mechanical property measurements at the nanoscale in air and fluid
Uploaded: 2022-12-02T13:10:00
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Tutti gli esperimenti AFM sono stati eseguiti nel Boise State University Surface Science Laboratory (SSL). La caratterizzazione SEM è stata eseguita nel Boise State Center for Materials Characterization (BSCMC). La ricerca riportata in questa pubblicazione riguardante le materie prime per i biocarburanti è stata sostenuta in parte dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dall'Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili, dall'Ufficio per le tecnologie bioenergetiche come parte del Feedstock Conversion Interface Consortium (FCIC) e dal DOE Idaho Operations Office Contract DE-AC07-051ID14517. Gli studi di meccanica cellulare sono stati sostenuti dal National Institutes of Health (USA) con sovvenzioni AG059923, AR075803 e P20GM109095, e da sovvenzioni della National Science Foundation (USA) 1929188 e 2025505. Il lavoro sui sistemi a doppio strato lipidico modello è stato sostenuto dal National Institutes of Health (USA) nell'ambito della sovvenzione R01 EY030067. Gli autori ringraziano il Dr. Elton Graugnard per aver prodotto l'immagine composita mostrata nella Figura 11.

NOTA: A causa dell'ampia varietà di AFM disponibili in commercio e della diversità dei tipi di campioni e delle applicazioni esistenti per la nanoindentazione basata su cantilever, il protocollo che segue è intenzionalmente progettato per essere di natura relativamente generale, concentrandosi sui passaggi condivisi necessari per tutti gli esperimenti di nanoindentazione basati su cantilever, indipendentemente dallo strumento o dal produttore. Per questo motivo, gli autori presumono che il lettore possieda almeno una ...

Preparazione del campione Per la nanoindentazione in aria, i metodi di preparazione comuni includono la criosezione (ad esempio, campioni di tessuto), la macinazione e / o la lucidatura seguita da ultramicrotoming (ad esempio, campioni biologici incorporati in resina), la fresatura ionica o la preparazione di fasci ionici focalizzati (ad esempio, campioni di durezza semiconduttori, porosi o misti non suscettibili di lucidatura), lucidatura meccanica o elettrochimica (ad esempio, leghe metalliche) o de...

Comprendere le proprietà meccaniche dei materiali è uno dei compiti più fondamentali ed essenziali in ingegneria. Per l'analisi delle proprietà dei materiali sfusi, sono disponibili numerosi metodi per caratterizzare le proprietà meccaniche dei sistemi di materiali, tra cui prove di trazione1, prove di compressione2 e prove di flessione (flessione) a tre o quattro punti3. Mentre questi test su microscala possono fornire informazioni preziose sulle proprietà dei materiali sfusi, sono generalmente condotti fino al fallimento e sono quindi distruttivi. Inoltre, mancano della risoluzione spaziale necessaria per studiare accuratamente le proprietà su micro e nanoscala di molti sistemi di materiali che sono di interesse oggi, come film sottili, materiali biologici e nanocompositi. Per iniziare ad affrontare alcuni dei problemi con i test meccanici su larga scala, principalmente la loro natura distruttiva, i test di microdurezza sono stati adottati dalla mineralogia. La durezza è una misura della resistenza di un materiale alla deformazione plastica in condizioni specifiche. In generale, i test di microdurezza utilizzano una sonda rigida, solitamente realizzata in acciaio temprato o diamantato, per rientrare in un materiale. La profondità di indentazione e/o l'area risultanti possono quindi essere utilizzate per determinare la durezza. Sono stati sviluppati diversi metodi, tra cui Vickers4, Knoop5 e Brinell6 durezza; Ognuno fornisce una misura della durezza del materiale su microscala, ma in condizioni e definizioni diverse, e come tale produce solo dati che possono essere confrontati con test eseguiti nelle stesse condizioni.
La nanoindentazione strumentata è stata sviluppata per migliorare i valori relativi ottenuti tramite i vari metodi di test di microdurezza, migliorare la risoluzione spaziale possibile per l'analisi delle proprietà meccaniche e consentire l'analisi di film sottili. È importante sottolineare che, utilizzando il metodo sviluppato per la prima volta da Oliver e Pharr7, l'elastico o modulo di Young, E, di un materiale campione può essere determinato tramite nanoindentazione strumentata. Inoltre, utilizzando una sonda nanoindentatrice piramidale a tre lati Berkovich (la cui funzione di area ideale della punta corrisponde a quella della sonda piramidale a quattro lati Vickers)8, è possibile effettuare un confronto diretto tra le misurazioni della durezza su scala nanometrica e su microscala più tradizionali. Con la crescita della popolarità dell'AFM, anche la nanoindentazione basata su sbalzo AFM ha iniziato a ricevere attenzione, in particolare per misurare le proprietà meccaniche dei materiali più morbidi. Di conseguenza, come illustrato schematicamente nella Figura 1, le due tecniche più comunemente impiegate oggi per interrogare e quantificare le proprietà meccaniche su scala nanometrica sono la nanoindentazione strumentata (Figura 1A) e la nanoindentazione basata su sbalzo AFM (Figura 1B)9, l'ultima delle quali è il fulcro di questo lavoro.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64497/64497fig01.jpg"> Figura 1: Confronto tra sistemi di nanoindentazione strumentati e basati su cantilever AFM. Diagrammi schematici che illustrano i sistemi tipici per condurre (A) nanoindentazione strumentata e (B) nanoindentazione a sbalzo AFM. Questa cifra è stata modificata da Qian et al.51. Abbreviazione: AFM = microscopia a forza atomica. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64497/64497fig01large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
Sia la nanoindentazione strumentata che quella basata su sbalzo AFM impiegano una sonda rigida per deformare una superficie campione di interesse e monitorare la forza risultante e lo spostamento in funzione del tempo. Tipicamente, il carico desiderato (cioè forza) o il profilo di spostamento (Z-piezo) viene specificato dall'utente tramite l'interfaccia software e controllato direttamente dallo strumento, mentre viene misurato l'altro parametro. La proprietà meccanica più spesso ottenuta da esperimenti di nanoindentazione è il modulo elastico (E), noto anche come modulo di Young, che ha unità di pressione. Il modulo elastico di un materiale è una proprietà fondamentale relativa alla rigidezza del legame ed è definito come il rapporto tra la tensione di trazione o compressione (σ, la forza applicata per unità di area) e la deformazione assiale (ε, la deformazione proporzionale lungo l'asse di indentazione) durante la deformazione elastica (cioè reversibile o temporanea) prima dell'inizio della deformazione plastica (equazione [1]):
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq01.jpg" style="margin: auto;">(1)
Va notato che, poiché molti materiali (soprattutto i tessuti biologici) sono in realtà viscoelastici, in realtà il modulo (dinamico o complesso) è costituito sia da componenti elastiche (stoccaggio, in fase) che viscose (perdita, fuori fase). In pratica, ciò che viene misurato in un esperimento di nanoindentazione è il modulo ridotto, E *, che è correlato al vero modulo campione di interesse, E, come mostrato nell'equazione (2):
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq02.jpg" style="margin: auto;">(2)
Dove punta E e punta ν sono rispettivamente il modulo elastico e il rapporto di Poisson della punta del nanopenetratore, e ν è il rapporto di Poisson stimato del campione. Il rapporto di Poisson è il rapporto negativo tra la deformazione trasversale e quella assiale, e quindi indica il grado di allungamento trasversale di un campione dopo essere sottoposto a deformazione assiale (ad esempio, durante il carico di nanoindentazione), come mostrato nell'equazione (3):
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq03.jpg" style="margin: auto;">(3)
La conversione dal modulo ridotto a quello effettivo è necessaria perché a) parte della deformazione assiale impartita dalla punta del penetratore può essere convertita in deformazione trasversale (cioè, il campione può deformarsi per espansione o contrazione perpendicolare alla direzione di carico), e b) la punta del penetratore non è infinitamente dura, e quindi l'atto di indentare il campione provoca una certa (piccola) quantità di deformazione della punta. Si noti che nel caso in cui la punta E >> E (cioè la punta del penetratore è molto più dura del campione, il che è spesso vero quando si utilizza una sonda diamantata), la relazione tra il modulo del campione ridotto e quello effettivo si semplifica notevolmente in E ≈ E*(1 - v2). Mentre la nanoindentazione strumentata è superiore in termini di accurata caratterizzazione della forza e gamma dinamica, la nanoindentazione basata su sbalzo AFM è più veloce, fornisce ordini di grandezza maggiore forza e sensibilità allo spostamento, consente immagini a risoluzione più elevata e una migliore localizzazione dell'indentazione e può simultaneamente sondare proprietà magnetiche ed elettriche su scala nanometrica9. In particolare, la nanoindentazione basata su sbalzo AFM è superiore per la quantificazione delle proprietà meccaniche su scala nanometrica di materiali morbidi (ad esempio, polimeri, gel, doppi strati lipidici e cellule o altri materiali biologici), film estremamente sottili (sub-μm) (dove gli effetti del substrato possono entrare in gioco a seconda della profondità di indentazione)10,11 e materiali bidimensionali sospesi (2D)12,13,14 come il grafene 15,16, mica 17, nitruro di boro esagonale (h-BN)18 o dichalcogenuri dei metalli di transizione (TMDC; ad esempio, MoS2)19. Ciò è dovuto alla sua squisita sensibilità alla forza (sub-nN) e allo spostamento (sub-nm), che è importante per determinare con precisione il punto di contatto iniziale e rimanere all'interno della regione di deformazione elastica.
Nella nanoindentazione a sbalzo AFM, lo spostamento di una sonda AFM verso la superficie del campione viene azionato da un elemento piezoelettrico calibrato (Figura 1B), con il cantilever flessibile che alla fine si piega a causa della forza resistiva sperimentata al contatto con la superficie del campione. Questa flessione o deflessione del cantilever viene tipicamente monitorata riflettendo un laser sul retro del cantilever e in un fotorivelatore (rilevatore sensibile alla posizione [PSD]). Insieme alla conoscenza della rigidità a sbalzo (in nN/nm) e della sensibilità alla deflessione (in nm/V), è possibile convertire questa deflessione a sbalzo misurata (in V) nella forza (in nN) applicata al campione. Dopo il contatto, la differenza tra il movimento Z-piezo e la deflessione a sbalzo produce la profondità di indentazione del campione. In combinazione con la conoscenza della funzione dell'area della punta, ciò consente di calcolare l'area di contatto punta-campione. La pendenza delle porzioni di contatto delle curve forza-distanza o forza-spostamento (F-D) risultanti può quindi essere adattata utilizzando un modello di meccanica di contatto appropriato (vedere la sezione Analisi dei dati della discussione) per determinare le proprietà nanomeccaniche del campione. Mentre la nanoindentazione basata su sbalzo AFM possiede alcuni vantaggi distinti rispetto alla nanoindentazione strumentata come descritto sopra, presenta anche diverse sfide pratiche di implementazione, come la calibrazione, l'usura della punta e l'analisi dei dati, che saranno discusse qui. Un altro potenziale svantaggio della nanoindentazione basata su AFM a sbalzo è l'ipotesi di elasticità lineare, poiché il raggio di contatto e le profondità di indentazione devono essere molto più piccoli del raggio del penetratore, che può essere difficile da ottenere quando si lavora con sonde AFM su scala nanometrica e / o campioni che mostrano rugosità superficiale significativa.
Tradizionalmente, la nanoindentazione è stata limitata a singole posizioni o piccoli esperimenti di indentazione della griglia, in cui viene selezionata una posizione desiderata (ad esempio, la regione di interesse [ROI]) e viene eseguito un singolo rientro controllato, più rientri in una singola posizione separati da un certo tempo di attesa e / o una griglia grossolana di rientri vengono eseguiti a una frequenza dell'ordine di Hz. Tuttavia, i recenti progressi nell'AFM consentono l'acquisizione simultanea di proprietà meccaniche e topografia attraverso l'utilizzo di modalità di imaging basate su curve di forza ad alta velocità (indicate da vari nomi commerciali a seconda del produttore del sistema), in cui le curve di forza sono condotte a una velocità di kHz sotto controllo del carico, con la massima forza del campione di punta utilizzata come setpoint di imaging. Sono stati inoltre sviluppati metodi point-and-shoot, che consentono l'acquisizione di un'immagine topografica AFM seguita da una successiva nanoindentazione selettiva nei punti di interesse all'interno dell'immagine, offrendo un controllo spaziale su scala nanometrica sulla posizione della nanoindentazione. Sebbene non sia l'obiettivo principale di questo lavoro, esempi specifici di applicazione selezionati sia di imaging basato sulla curva di forza che di nanoindentazione basata su cantilever point-and-shoot sono presentati nei risultati rappresentativi e possono essere utilizzati in combinazione con il protocollo descritto di seguito, se disponibile sulla particolare piattaforma AFM utilizzata. In particolare, questo lavoro delinea un protocollo generalizzato per l'implementazione pratica della nanoindentazione a sbalzo AFM su qualsiasi sistema AFM capace e fornisce quattro esempi di casi d'uso (due in aria, due in fluido) della tecnica, inclusi risultati rappresentativi e una discussione approfondita delle sfumature, delle sfide e delle considerazioni importanti per impiegare con successo la tecnica.

<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

Un microscopio a forza atomica (AFM) misura fondamentalmente l'interazione tra la punta di una sonda AFM su scala nanometrica e la superficie del campione. Se la forza applicata dalla punta della sonda e la sua area di contatto con il campione possono essere quantificate, è possibile determinare le proprietà meccaniche su scala nanometrica (ad esempio, elastico o modulo di Young) della superficie da sondare. Qui viene fornita una procedura dettagliata per eseguire esperimenti quantitativi di nanoindentazione basati su cantilever AFM, con esempi rappresentativi di come la tecnica può essere applicata per determinare i moduli elastici di un'ampia varietà di tipi di campione, che vanno da kPa a GPa. Questi includono cellule staminali mesenchimali vive (MSC) e nuclei in tampone fisiologico, sezioni trasversali di pino loblolly disidratate incorporate in resina e scisti di Bakken di varia composizione.
Inoltre, la nanoindentazione basata su sbalzo AFM viene utilizzata per sondare la resistenza alla rottura (cioè la forza di rottura) dei doppi strati fosfolipidici. Importanti considerazioni pratiche come la scelta e lo sviluppo del metodo, la selezione e la calibrazione della sonda, l'identificazione della regione di interesse, l'eterogeneità del campione, le dimensioni e le proporzioni delle caratteristiche, l'usura della punta, la rugosità della superficie e l'analisi dei dati e le statistiche di misurazione sono discusse per aiutare la corretta implementazione della tecnica. Infine, viene dimostrata la co-localizzazione di mappe nanomeccaniche derivate da AFM con tecniche di microscopia elettronica che forniscono ulteriori informazioni sulla composizione elementare.

Curve forza-spostamento La Figura 7 mostra curve F-D rappresentative e quasi ideali ottenute da esperimenti di nanoindentazione eseguiti in aria su campioni di pino loblolly incorporati in resina (Figura 7A) e in fluido (soluzione salina tamponata con fosfato [PBS]) su nuclei di cellule staminali mesenchimali (MSC) (Figura 7B). L'uso di qualsiasi modello di meccanica di contatto si basa sulla determinazione accur...

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

La quantificazione dell'area di contatto e della forza applicata dalla punta di una sonda a forza atomica (AFM) su una superficie del campione consente la determinazione delle proprietà meccaniche su scala nanometrica. Vengono discusse le migliori pratiche per implementare la nanoindentazione basata su sbalzo AFM in aria o fluido su campioni morbidi e duri per misurare il modulo elastico o altre proprietà nanomeccaniche.

Microscopia a forza atomica Nanoindentazione basata su sbalzo: misure di proprietà meccaniche su scala nanometrica in aria e fluido

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

La microscopia a forza atomica, o nanoindentazione a sbalzo AFM, può essere utilizzata per determinare le proprietà meccaniche su scala nanometrica di materiali che vanno dal modulo kilopascal ai gigapascal sia nell'aria che nel fluido. La nanoindentazione basata su sbalzo AFM consente l'imaging topografico colocalizzato e misurazioni quantitative delle proprietà meccaniche in situ con precisione e risoluzione su scala nanometrica su un'ampia gamma di materiali e ambienti pertinenti. La nanoindentazione basata su sbalzo AFM può essere utilizzata per distinguere tra strutture sane e malate, tessuti o cellule che presentano proprietà meccaniche divergenti.Determinare con precisione l'area di contatto del campione di punta e la forza applicata durante la nanoindentazione basata su cantilever richiede un'attenta calibrazione della sonda AFM, che è impegnativa ma essenziale per le misurazioni quantitative delle proprietà meccaniche su scala nanometrica. Per iniziare, selezionare una microscopia a forza atomica appropriata o una sonda AFM per la nanoindentazione del campione previsto in base al mezzo, al modulo previsto, alla topografia del campione e alle dimensioni delle caratteristiche pertinenti. Caricare la sonda sul supporto della sonda e collegare il supporto della sonda alla testa di scansione AFM.Selezionare una modalità di nanoindentazione appropriata nel software AFM che consente all'utente di controllare le singole rampe. Allineare il laser sul retro del cantilever della sonda di fronte alla posizione della punta della sonda e nel rilevatore sensibile alla posizione, o PSD. Centrare il punto del raggio laser sul retro del cantilever massimizzando la tensione di somma.Successivamente, centrare il punto del raggio laser riflesso sul PSD regolando i segnali di deflessione verticale e orizzontale in modo che siano il più vicino possibile allo zero, fornendo così il massimo intervallo di deflessione rilevabile per produrre una tensione di uscita proporzionale alla deflessione a sbalzo. Calibrare la sensibilità di deflessione, o DS, del sistema AFM della sonda. Per fare ciò, impostare ed eseguire i rientri di calibrazione DS su Sapphire per ottenere approssimativamente la stessa deflessione della sonda dei rientri del campione pianificati poiché lo spostamento misurato è una funzione dell'angolo di deflessione della punta e diventa non lineare per grandi deflessioni.Ripeti la rampa cinque volte. Determinare il DS in nanometri per volt o la sensibilità della leva ottica inversa e i volt per nanometri dalla pendenza della porzione lineare del regime di contatto dopo il punto di contatto iniziale nella curva di spostamento della forza risultante o FD. Utilizzare la media dei valori per la massima precisione.Se la deviazione standard relativa supera l'1%, rimisurare il DS, poiché a volte le prime curve FD non sono ideali a causa dell'introduzione iniziale di forze di attrazione. Se la costante della molla K della sonda non è calibrata in fabbrica, calibrare la costante della molla. Se la sonda non dispone di una misurazione del raggio della punta calibrata in fabbrica, misurare il raggio effettivo della punta R.Se si utilizza il metodo di ricostruzione della punta cieca, visualizzare l'immagine della caratterizzazione della punta o del campione di rugosità utilizzando una velocità di scansione lenta e guadagni di feedback elevati per ottimizzare il tracciamento delle caratteristiche molto nitide.Scegli le dimensioni e la densità di pixel dell'immagine in base al raggio di punta previsto. Successivamente, utilizzare il software di analisi delle immagini AFM per modellare la punta della sonda e stimarne il raggio finale e il diametro effettivo della punta alla profondità di rientro del campione prevista. Dopo aver completato la calibrazione della sonda, immettere i valori DS, K e R nel software.Infine, immettere una stima del rapporto di Poisson del campione per convertire il modulo ridotto misurato nel modulo del campione effettivo. Se si utilizza un modello di meccanica di contatto conica o conosferica basato sulla forma della punta e sulla profondità di indentazione, è necessario inserire il semiangolo della punta. Naviga il campione sotto la testa AFM e interagisci sulla regione di interesse desiderata.Monitorare il segnale di deflessione verticale o eseguire una piccola rampa iniziale per verificare che la punta e il campione siano in contatto. Regolare leggermente la posizione della testa AFM verso l'alto e rampare di nuovo. Ripetere l'operazione fino a quando la punta e il campione non sono appena fuori contatto, come evidenziato da una rampa quasi piatta e da una minima deflessione verticale del cantilever.Una volta che non è presente alcuna interazione evidente del campione della punta, abbassare la testa AFM di una quantità corrispondente a circa il 50% della dimensione della rampa per garantire che la punta della sonda non si schianti contro il campione mentre si sposta manualmente la testa AFM. Rampa di nuovo, ripetendo fino a quando non si osserva una buona curva. Regolare i parametri della rampa.Selezionare una dimensione della rampa appropriata in base al campione e alla profondità di rientro desiderata. Quindi, selezionare una velocità di rampa appropriata. Un hertz è un buon punto di partenza per la maggior parte dei campioni.Impostare il numero di campioni per rampa per ottenere la risoluzione desiderata della misurazione. Impostare la rotazione X per ridurre le forze di taglio sul campione e sulla punta spostando simultaneamente leggermente la sonda nella direzione X mentre si rientra nella direzione Z. Utilizzate un valore per la rotazione X uguale all'angolo di offset del portasonda rispetto alla normale alla superficie.Quindi, scegli se utilizzare una rampa attivata o non attivata. Se viene scelta una rampa attivata, impostare la soglia di trigger per ottenere il rientro desiderato nel campione. Eseguire un rientro nella posizione scelta.Selezionare e caricare i dati da analizzare nel software. Valori calibrati di input per la costante della molla, DS o sensibilità della leva ottica inversa e raggio della punta della sonda, insieme a una stima del rapporto di Poisson del campione. Scegli un modello di meccanica a contatto di nanoindentazione appropriato per la punta e il campione.Eseguire l'algoritmo di raccordo. Verificare il corretto adattamento delle curve FD. Un basso errore residuo corrispondente a una quasi unità quadrata media indica una buona aderenza al modello scelto.Se lo si desidera, controllare a campione le singole curve per ispezionare visivamente la curva, l'adattamento del modello e i punti di contatto calcolati. Sono mostrate curve FD quasi ideali ottenute nell'aria su un campione di pino loblolly incorporato in resina e in soluzione salina tamponata con fosfato su un nucleo di cellule staminali mesenchimali. Con la sonda al silicio, la punta ha subito un'usura significativa rispetto al suo stato incontaminato iniziale durante l'imaging.Con ogni immagine successiva, la punta diventa progressivamente più arrotondata. A differenza della sonda diamantata, il raggio della punta non è cambiato entro i limiti del metodo di ricostruzione della punta cieca, evidenziando l'estrema resistenza all'usura del diamante. Un'immagine topografica AFM che copre più celle con una pseudo rappresentazione 3D e una mappa del modulo corrispondente di un campione di pino loblolly è mostrata qui.La mappa del modulo derivata dall'AFM generata durante l'ottenimento di un'immagine AFM mostra che l'inclusione del minerale al centro delle immagini è significativamente più difficile della matrice organica circostante. Viene mostrato l'effetto del raggio e della forma della punta della sonda sull'aspetto delle caratteristiche ad alto rapporto di aspetto di un campione di scisto di Bakken. La nanoindentazione a sbalzo su cellule staminali mesenchimali e nuclei isolati non ha mostrato alcuna differenza statistica nel modulo elastico.La morfologia e le proprietà meccaniche dei doppi strati lipidici contenenti colesterolo studiati da AFM sono dimostrate qui. Una corretta calibrazione della sonda e la selezione dei parametri di rampa appropriati nei modelli di meccanica a contatto sono essenziali per misurazioni nanomeccaniche accurate. Oltre a consentire misurazioni modulari elastiche, la nanoindentazione basata su sbalzo AFM può essere utilizzata per sondare la resistenza alla rottura o la forza di rottura dei doppi strati fosfolipidi in condizioni fisiologiche rilevanti.La nanoindentazione basata su sbalzo AFM ha permesso di studiare gli effetti di knockout strutturali, trattamenti farmaceutici e vibrazioni a bassa intensità per simulare l'esercizio sulle proprietà meccaniche dei nuclei delle cellule staminali mesenchimali.

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