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

Alle AFM-eksperimenter ble utført i Boise State University Surface Science Laboratory (SSL). SEM-karakterisering ble utført i Boise State Center for Materials Characterization (BSCMC). Forskning rapportert i denne publikasjonen om biodrivstoffråstoff ble støttet delvis av US Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Bioenergy Technologies Office som en del av Feedstock Conversion Interface Consortium (FCIC), og under DOE Idaho Operations Office Contract DE-AC07-051ID14517. Cellemekanikkstudier ble støttet av National Institutes of Health (USA) under tilskudd AG059923, AR075803 og P20GM109095, og av National Science Foundation (USA) tilskudd 1929188 og 2025505. Modellen lipid bilayer systems arbeid ble støttet av National Institutes of Health (USA) under tilskudd R01 EY030067. Forfatterne takker Dr. Elton Graugnard for å produsere det sammensatte bildet vist i figur 11.

MERK: På grunn av det store utvalget av kommersielt tilgjengelige AFM og mangfoldet av prøvetyper og applikasjoner som finnes for utkragingsbasert nanoindentasjon, er protokollen som følger med vilje designet for å være relativt generell i naturen, med fokus på de delte trinnene som er nødvendige for alle cantilever-baserte nanoindentasjonseksperimenter uavhengig av instrument eller produsent. På grunn av dette antar forfatterne at leseren har minst grunnleggende kjennskap til å betjene det spesifikke instrument...

Prøve forberedelse For nanoindentasjon i luft inkluderer vanlige prepareringsmetoder kryoseksjonering (f.eks. Vevsprøver), sliping og / eller polering etterfulgt av ultramikrotoming (f.eks. Harpiksinnebygde biologiske prøver), ionfresing eller fokusert ionstrålepreparasjon (f.eks. Halvleder-, porøse eller blandede hardhetsprøver som ikke kan poleres), mekanisk eller elektrokjemisk polering (f.eks. metalllegeringer) eller tynnfilmavsetning (f.eks. Atomlag eller kjemisk dampavsetning, molekylær ...

Å forstå de mekaniske egenskapene til materialer er en av de mest grunnleggende og essensielle oppgavene innen engineering. For analyse av bulkmaterialegenskaper er det mange metoder tilgjengelig for å karakterisere de mekaniske egenskapene til materialsystemer, inkludert strekktester1, kompresjonstester2 og tre- eller firepunkts bøyetester (bøye)3. Selv om disse mikroskalatestene kan gi uvurderlig informasjon om bulkmaterialegenskaper, utføres de vanligvis til svikt, og er derfor ødeleggende. I tillegg mangler de den romlige oppløsningen som er nødvendig for å nøyaktig undersøke mikro- og nanoskalaegenskapene til mange materielle systemer som er av interesse i dag, for eksempel tynne filmer, biologiske materialer og nanokompositter. For å begynne å løse noen av problemene med storskala mekanisk testing, hovedsakelig dens destruktive natur, ble mikrohardhetstester vedtatt fra mineralogi. Hardhet er et mål på motstanden til et materiale mot plastisk deformasjon under spesifikke forhold. Generelt bruker mikrohardhetstester en stiv sonde, vanligvis laget av herdet stål eller diamant, for å rykke inn i et materiale. Den resulterende fordypningsdybden og / eller området kan deretter brukes til å bestemme hardheten. Flere metoder har blitt utviklet, inkludert Vickers4, Knoop5 og Brinell6 hardhet; Hver gir et mål på materialhardhet i mikroskala, men under forskjellige forhold og definisjoner, og produserer som sådan bare data som kan sammenlignes med tester utført under de samme forholdene.
Instrumentert nanoindentasjon ble utviklet for å forbedre de relative verdiene oppnådd via de ulike mikrohardhetstestmetodene, forbedre den romlige oppløsningen som er mulig for analyse av mekaniske egenskaper, og muliggjøre analyse av tynne filmer. Det er viktig at ved å benytte metoden som først ble utviklet av Oliver og Pharr7, kan elastikken eller Youngs modul, E, av et prøvemateriale bestemmes via instrumentert nanoindentasjon. Videre, ved å bruke en Berkovich tresidig pyramidal nanoindenter-sonde (hvis ideelle spissområdefunksjon samsvarer med Vickers firesidige pyramideprobe)8, kan direkte sammenligning mellom nanoskala og mer tradisjonelle mikroskala hardhetsmålinger gjøres. Med veksten i populariteten til AFM, begynte AFM cantilever-basert nanoindentation å få oppmerksomhet også, spesielt for å måle de mekaniske egenskapene til mykere materialer. Som et resultat, som vist skjematisk i figur 1, er de to mest brukte teknikkene i dag for å forhøre og kvantifisere nanoskala mekaniske egenskaper instrumentert nanoindentasjon (figur 1A) og AFM utkragingsbasert nanoindentasjon (figur 1B) 9, hvorav sistnevnte er fokus for dette arbeidet.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64497/64497fig01.jpg"> Figur 1: Sammenligning av instrumenterte og AFM utkragebaserte nanoindentasjonssystemer. Skjematiske diagrammer som viser typiske systemer for å gjennomføre (A) instrumentert nanoindentasjon og (B) AFM utkragingsbasert nanoindentasjon. Denne figuren ble modifisert fra Qian et al.51. Forkortelse: AFM = atomkraftmikroskopi. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64497/64497fig01large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
Både instrumentert og AFM utkragingsbasert nanoindentasjon benytter en stiv sonde for å deformere en prøveoverflate av interesse og overvåke den resulterende kraften og forskyvningen som en funksjon av tid. Vanligvis spesifiseres enten den ønskede belastningen (dvs. kraft) eller (Z-piezo) forskyvningsprofilen av brukeren via programvaregrensesnittet og styres direkte av instrumentet, mens den andre parameteren måles. Den mekaniske egenskapen som oftest oppnås fra nanoindentasjonseksperimenter er den elastiske modulen (E), også referert til som Youngs modul, som har trykkenheter. Den elastiske modulen til et materiale er en grunnleggende egenskap knyttet til bindingsstivheten og er definert som forholdet mellom strekk- eller trykkspenning (σ, den påførte kraften per arealenhet) til aksial belastning (ε, proporsjonal deformasjon langs innrykksaksen) under elastisk (dvs. reversibel eller midlertidig) deformasjon før utbruddet av plastisk deformasjon (ligning [1]):
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq01.jpg" style="margin: auto;">(1)
Det skal bemerkes at fordi mange materialer (spesielt biologiske vev) faktisk er viskoelastiske, består den (dynamiske eller komplekse) modulen i virkeligheten av både elastiske (lagring, i fase) og viskøse (tap, ute av fase) komponenter. I praksis er det som måles i et nanoindentasjonseksperiment den reduserte modulen, E *, som er relatert til den sanne prøvemodulen av interesse, E, som vist i ligning (2):
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq02.jpg" style="margin: auto;">(2)
Hvor E-spiss og ν-spiss er henholdsvis den elastiske modulen og Poissons forhold mellom nanoindenterspissen, og ν er det estimerte Poisson-forholdet mellom prøven. Poissons forhold er det negative forholdet mellom den tverrgående og aksiale belastningen, og indikerer dermed graden av tverrgående forlengelse av en prøve ved å bli utsatt for aksial belastning (f.eks. under nanoindentasjonsbelastning), som vist i ligning (3):
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq03.jpg" style="margin: auto;">(3)
Konverteringen fra redusert til faktisk modul er nødvendig fordi a) noe av den aksiale belastningen som formidles av indenterspissen, kan konverteres til tverrgående belastning (dvs. prøven kan deformeres via ekspansjon eller sammentrekning vinkelrett på belastningsretningen), og b) innrykksspissen ikke er uendelig hard, og dermed resulterer innrykk av prøven i en viss (liten) mengde deformasjon av spissen. Merk at i tilfelle hvor E-spissen>> E ( dvs. indenterspissen er mye hardere enn prøven, noe som ofte er sant når du bruker en diamantsonde), forenkles forholdet mellom den reduserte og faktiske prøvemodulen sterkt til E ≈ E * (1 - v2). Mens instrumentert nanoindentasjon er overlegen når det gjelder nøyaktig kraftkarakterisering og dynamisk område, er AFM utkragingsbasert nanoindentasjon raskere, gir størrelsesordener større kraft og forskyvningsfølsomhet, muliggjør høyere oppløsning avbildning og forbedret innrykk lokalisering, og kan samtidig sonde nanoskala magnetiske og elektriske egenskaper9. Spesielt er AFM cantilever-basert nanoindentasjon overlegen for kvantifisering av mekaniske egenskaper ved nanoskala av myke materialer (f.eks. Polymerer, geler, lipid-dobbeltlag og celler eller andre biologiske materialer), ekstremt tynne (sub-μm) filmer (hvor substrateffekter kan spille inn avhengig av innrykksdybde) 10,11 og suspenderte todimensjonale (2D) materialer12,13,14 som grafen 15,16, glimmer 17, sekskantet boritrid (h-BN)18, eller overgangsmetall dichalcogenides (TMDC; f.eks. MoS2)19. Dette skyldes dens utsøkte kraft (sub-nN) og forskyvningsfølsomhet (sub-nm), noe som er viktig for nøyaktig å bestemme det første kontaktpunktet og forbli innenfor det elastiske deformasjonsområdet.
I AFM utkragingsbasert nanoindentasjon aktiveres forskyvning av en AFM-sonde mot prøveoverflaten av et kalibrert piezoelektrisk element (figur 1B), med den fleksible utkragingen som til slutt bøyes på grunn av den resistive kraften som oppleves ved kontakt med prøveoverflaten. Denne bøyningen eller avbøyningen av utkragingen overvåkes vanligvis ved å reflektere en laser fra baksiden av utkragingen og inn i en fotodetektor (posisjonsfølsom detektor [PSD]). Sammen med kunnskapen om utkragingsstivhet (i nN/nm) og avbøyningsfølsomhet (i nm/V), er det mulig å konvertere denne målte utkrageavbøyningen (i V) til kraften (i nN) som påføres prøven. Etter kontakt gir forskjellen mellom Z-piezo-bevegelsen og utkragingsavbøyningen prøveinnrykksdybden. Kombinert med kunnskapen om spissområdefunksjonen gjør dette det mulig å beregne kontaktområdet for spissprøven. Hellingen til kontaktdelene av de resulterende kraftavstands- eller kraftforskyvningskurvene (F-D) kan da passe ved hjelp av en passende kontaktmekanikkmodell (se dataanalysedelen av diskusjonen) for å bestemme prøvens nanomekaniske egenskaper. Mens AFM cantilever-basert nanoindentation har noen klare fordeler over instrumentert nanoindentation som beskrevet ovenfor, presenterer det også flere praktiske implementeringsutfordringer, for eksempel kalibrering, spissslitasje og dataanalyse, som vil bli diskutert her. En annen potensiell ulempe med AFM cantilever-basert nanoindentasjon er antagelsen om lineær elastisitet, da kontaktradiusen og innrykksdybdene må være mye mindre enn indenterradiusen, noe som kan være vanskelig å oppnå når man arbeider med nanoskala AFM-sonder og / eller prøver som viser betydelig overflateruhet.
Tradisjonelt har nanoindentasjon vært begrenset til individuelle steder eller små rutenettinnrykkeksperimenter, hvor et ønsket sted (dvs. interesseområde [ROI]) er valgt og et enkelt kontrollert innrykk, flere innrykk på ett sted atskilt med litt ventetid, og / eller et grovt rutenett av innrykk utføres med en hastighet i størrelsesorden Hz. Nylige fremskritt innen AFM tillater imidlertid samtidig oppkjøp av mekaniske egenskaper og topografi gjennom bruk av høyhastighets kraftkurvebaserte bildebehandlingsmoduser (referert til av forskjellige handelsnavn avhengig av systemprodusenten), hvor kraftkurver utføres med en kHz-hastighet under belastningskontroll, med maksimal spissprøvekraft brukt som bildesettpunkt. Point-and-shoot-metoder har også blitt utviklet, noe som gjør det mulig å skaffe seg et AFM-topografibilde etterfulgt av etterfølgende selektiv nanoindentasjon på interessepunkter i bildet, som gir nanoskala romlig kontroll over nanoinnrykkplassering. Selv om det ikke er hovedfokus for dette arbeidet, presenteres spesifikke utvalgte applikasjonseksempler på både kraftkurvebasert avbildning og punkt-og-skyt-utkragingsbasert nanoindentasjon i de representative resultatene, og kan brukes sammen med protokollen som er skissert nedenfor hvis tilgjengelig på den aktuelle AFM-plattformen som brukes. Spesielt skisserer dette arbeidet en generalisert protokoll for den praktiske implementeringen av AFM cantilever-basert nanoindentation på ethvert dyktig AFM-system og gir fire brukseksempler (to i luft, to i væske) av teknikken, inkludert representative resultater og en grundig diskusjon av nyansene, utfordringene og viktige hensyn for å lykkes med å bruke teknikken.

<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

Et atomkraftmikroskop (AFM) måler fundamentalt samspillet mellom en nanoskala AFM-sondespiss og prøveoverflaten. Hvis kraften påført av sondespissen og dens kontaktområde med prøven kan kvantifiseres, er det mulig å bestemme nanoskala mekaniske egenskaper (f.eks. Elastisk eller Youngs modul) av overflaten som undersøkes. En detaljert prosedyre for å utføre kvantitative AFM-utkragingsbaserte nanoindentasjonseksperimenter er gitt her, med representative eksempler på hvordan teknikken kan brukes til å bestemme elastiske moduler av et bredt utvalg av prøvetyper, alt fra kPa til GPa. Disse inkluderer levende mesenkymale stamceller (MSC) og kjerner i fysiologisk buffer, harpiksinnebygde dehydrerte loblolly furutverrsnitt og Bakken-skifer med varierende sammensetning.
I tillegg brukes AFM cantilever-basert nanoindentasjon til å undersøke bruddstyrken (dvs. gjennombruddskraft) av fosfolipid-dobbeltlag. Viktige praktiske hensyn som metodevalg og utvikling, sondevalg og kalibrering, interesseområdeidentifikasjon, prøveheterogenitet, funksjonsstørrelse og sideforhold, spissslitasje, overflateruhet og dataanalyse og målestatistikk diskuteres for å hjelpe riktig implementering av teknikken. Endelig demonstreres samlokalisering av AFM-avledede nanomekaniske kart med elektronmikroskopiteknikker som gir ytterligere informasjon om elementær sammensetning.

Kurver for kraftforskyvning Figur 7 viser representative, nesten ideelle F-D-kurver oppnådd fra nanoindentasjonseksperimenter utført i luft på harpiksinnebygde loblolly furuprøver (figur 7A) og i væske (fosfatbufret saltvann [PBS]) på mesenkymale stamcellekjerner (MSC) (figur 7B). Bruken av enhver kontaktmekanikkmodell er avhengig av nøyaktig og pålitelig bestemmelse av det første kontaktpunktet for spis...

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

Kvantifisering av kontaktområdet og kraften påført av et atomkraftmikroskop (AFM) sondespiss til en prøveoverflate muliggjør bestemmelse av mekaniske egenskaper på nanoskala. Beste praksis for å implementere AFM cantilever-basert nanoindentasjon i luft eller væske på myke og harde prøver for å måle elastisk modul eller andre nanomekaniske egenskaper diskuteres.

Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mekaniske egenskapsmålinger på nanoskala i luft og væske

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

Atomkraftmikroskopi, eller AFM cantilever-basert nanoindentation, kan brukes til å bestemme nanoskala mekaniske egenskaper av materialer som spenner modul, fra kilopascal til gigapascal i både luft og væske. AFM utkragebasert nanoindentasjon muliggjør samlokalisert topografisk avbildning og in situ kvantitative mekaniske egenskapsmålinger med nanoskala presisjon og oppløsning på et bredt spekter av materialer og relevante miljøer. AFM cantilever-basert nanoindentasjon kan brukes til å skille mellom sunne og sykdomsstrukturer, vev eller celler som viser divergerende mekaniske egenskaper.Nøyaktig bestemme spissprøvens kontaktområde og kraft påført under cantilever-basert nanoindentation krever nøye kalibrering av AFM-sonden, noe som er utfordrende, men viktig for kvantitative nanoskala mekaniske egenskapsmålinger. For å begynne, velg en passende atomkraftmikroskopi eller AFM-sonde for nanoindentasjon av den tiltenkte prøven basert på medium, forventet modul, prøvetopografi og relevante funksjonsstørrelser. Legg sonden på sondeholderen og fest sondeholderen til AFM-skannehodet.Velg en passende nanoindentasjonsmodus i AFM-programvaren som gir brukeren kontroll over individuelle ramper. Juster laseren på baksiden av sondeutkrageren motsatt plasseringen av sondespissen og inn i den posisjonsfølsomme detektoren, eller PSD. Sentrer laserstrålepunktet på baksiden av utkragingen ved å maksimere sumspenningen.Deretter sentrerer du det reflekterte laserstrålepunktet på PSD ved å justere de vertikale og horisontale avbøyningssignalene til å være så nær null som mulig, og gir dermed det maksimale detekterbare avbøyningsområdet for å produsere en utgangsspenning proporsjonal med utkragingsavbøyningen. Kalibrer avbøyningsfølsomheten, eller DS, til sondens AFM-system. For å gjøre dette, konfigurer og utfør DS-kalibreringsinnrykk på Sapphire for å oppnå omtrent samme sondeavbøyning som de planlagte prøveinnrykkene, siden den målte forskyvningen er en funksjon av spissavbøyningsvinkelen og blir ikke-lineær for store avbøyninger.Gjenta rampen fem ganger. Bestem DS i nanometer per volt eller den inverse optiske spakfølsomheten og volt per nanometer fra hellingen til den lineære delen av kontaktregimet etter det første kontaktpunktet i den resulterende kraftforskyvningen, eller FD, kurven. Bruk gjennomsnittet av verdiene for maksimal nøyaktighet.Hvis det relative standardavviket overstiger 1% måle DS, som noen ganger de første FD-kurvene er ikke-ideelle på grunn av den første introduksjonen av klebende krefter. Hvis sondeutkragerens fjærkonstant K ikke er fabrikkkalibrert, kalibrerer du fjærkonstanten. Hvis sonden ikke har en fabrikkkalibrert spissradiusmåling, måler du den effektive spissradiusen R.Hvis du bruker rekonstruksjonsmetoden for blindspissen, kan du avbilde spisskarakteriseringen eller grovhetsprøven ved hjelp av en langsom skannehastighet og høy tilbakemeldingsforsterkning for å optimalisere sporingen av de svært skarpe funksjonene.Velg en bildestørrelse og pikseltetthet basert på den forventede spissradiusen. Deretter bruker du AFM-bildeanalyseprogramvare til å modellere probespissen og estimere enderadiusen og den effektive spissdiameteren ved forventet prøveinnrykksdybde. Når sondekalibreringen er fullført, angir du DS-, K- og R-verdiene i programvaren.Til slutt angir du et estimat av utvalgets Poisson-forhold for å konvertere den målte reduserte modulen til den faktiske prøvemodulen. Hvis du bruker en konisk eller konosfærisk kontaktmekanikkmodell basert på spissformen og innrykksdybden, er det nødvendig å legge inn spisshalvvinkelen. Naviger i prøven under AFM-hodet og engasjer deg i ønsket interesseområde.Overvåk det vertikale avbøyningssignalet eller utfør en liten innledende rampe for å bekrefte at spissen og prøven er i kontakt. Juster AFM-hodeposisjonen litt oppover og ramp igjen. Gjenta til spissen og prøven akkurat er ute av kontakt, noe som gjenspeiles av en nesten flat rampe og minimal vertikal avbøyning av utkragingen.Når ingen åpenbar spissprøveinteraksjon er tilstede, senk AFM-hodet med en mengde som tilsvarer omtrent 50 % av rampestørrelsen for å sikre at sondespissen ikke krasjer inn i prøven mens du beveger AFM-hodet manuelt. Rampe igjen, gjenta til en god kurve er observert. Juster rampeparametrene.Velg en passende rampestørrelse avhengig av prøven og ønsket innrykksdybde. Velg deretter en passende rampehastighet. En hertz er et godt utgangspunkt for de fleste prøver.Angi antall prøver per rampe for å oppnå ønsket oppløsning på målingen. Still inn X Rotate for å redusere skjærkreftene på prøven og spissen ved samtidig å flytte sonden litt i X-retningen mens den rykker inn i Z-retningen. Bruk en verdi for X Rotate lik forskyvningsvinkelen til sondeholderen i forhold til overflatenormalen.Deretter velger du om du vil bruke en utløst eller uutløst rampe. Hvis en utløst rampe velges, angir du utløserterskelen slik at den resulterer i ønsket innrykk i prøven. Utfør et innrykk på den valgte plasseringen.Velg og last inn dataene som skal analyseres i programvaren. Inputkalibrerte verdier for fjærkonstanten, DS eller den inverse optiske spakfølsomheten og probespissradiusen, sammen med et estimat for Poissons forhold mellom prøven. Velg en nanoindentasjonskontaktmekanikkmodell som passer for spissen og prøven.Kjør tilpasningsalgoritmen. Kontroller at FD-kurvene er riktig montert. En lav restfeil tilsvarende en gjennomsnittlig R-kvadrert nær enhet indikerer en god passform til den valgte modellen.Hvis ønskelig, stikkprøver du individuelle kurver for å visuelt inspisere kurven, modelltilpasningen og beregnede kontaktpunkter. Nær ideelle FD-kurver oppnådd i luften på en harpiksinnebygd loblolly furuprøve og i fosfatbufret saltoppløsning på en mesenkymal stamcellekjerne er vist. Med silisiumsonden opplevde spissen betydelig slitasje i forhold til sin opprinnelige uberørte tilstand gjennom avbildningen.Med hvert påfølgende bilde blir spissen gradvis mer avrundet. I motsetning til diamantsonden endret ikke spissradiusen seg innenfor grensene for rekonstruksjonsmetoden for blindspissen, noe som fremhevet diamantens ekstreme slitestyrke. Et AFM-topografibilde som dekker flere celler med en pseudo 3D-avbildning og et tilsvarende modulkart over en loblolly furuprøve er vist her.AFM-avledet modulkart generert mens du får et AFM-bilde, viser at mineralinkluderingen i midten av bildene er betydelig vanskeligere enn den omkringliggende organiske matrisen. Effekten av probespissradius og form på utseendet til egenskaper med høyt sideforhold i en Bakken-skiferprøve vises. Cantilever-basert nanoindentasjon på mesenkymale stamceller og isolerte kjerner viste ingen statistisk forskjell i elastisk modul.Morfologien og mekaniske egenskapene til kolesterolholdige lipid-dobbeltlag studert av AFM er demonstrert her. Riktig probekalibrering og valg av passende rampeparametere i kontaktmekanikkmodeller er avgjørende for nøyaktige nanomekaniske målinger. I tillegg til å muliggjøre elastiske modulære målinger, kan AFM utkragingsbasert nanoindentasjon brukes til å undersøke bruddstyrken eller gjennombruddskraften til fosfolipid-dobbeltlag under fysiologiske relevante forhold.AFM utkragingsbasert nanoindentasjon har gjort det mulig å undersøke effekten av strukturelle knockouts, farmasøytiske behandlinger og lavintensitetsvibrasjoner for å simulere trening på de mekaniske egenskapene til mesenkymale stamcellekjerner.

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

Samtidig Kvantitativ Konduktivitet og mekaniske egenskaper Målinger av organiske fotovoltaiske materialer ved hjelp 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

Fabrikasjon av ensartede nanoskala hulrom via silisium direkte wafer binding

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

Atomic Force Mikroskopi av Red-Light Fotoreseptorer Bruke PeakForce Kvantitativ Nanomechanical Eiendoms Mapping

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

Forberedelse og Friction Force Mikros Målinger av blandbar, motstridende polymer Børster

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

Sub-nanometer Resolution Imaging med Amplitude-modulasjon Atomic Force Microscopy i væske

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

Måling av Quantum Interference i Silicon Ring Resonator Photon Source

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

Nanoskala karakterisering av flytende-solide grensesnitt ved kobling av Kryo-fokusert ionstråle fresing med skanning elektronmikroskopi og spektroskopi

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

Optimalisering av magnetisk kraftmikroskopioppløsning og følsomhet for å visualisere magnetiske domener i nanoskala

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

Parallelle aktive utkragede arrayer i AFMS for å muliggjøre inspeksjoner med høy gjennomstrømning

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

Forfatter i søkelyset: Introduksjon til aktiv probe atomkraftmikroskopi med quattro-parallelle utkragende matriser

Aktiv sonde Atomic Force Microscopy med Quattro-Parallel Cantilever Arrays for høy gjennomstrømning storskala prøveinspeksjon

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