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

Alla AFM-experiment utfördes i Boise State University Surface Science Laboratory (SSL). SEM-karakterisering utfördes i Boise State Center for Materials Characterization (BSCMC). Forskning som rapporteras i denna publikation om råvaror för biobränsle stöddes 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) och enligt DOE Idaho Operations Office Contract DE-AC07-051ID14517. Cellmekanikstudier stöddes av National Institutes of Health (USA) under bidrag AG059923, AR075803 och P20GM109095, och av National Science Foundation (USA) bidrag 1929188 och 2025505. Arbetet med modelllipiddubbelskiktssystem stöddes av National Institutes of Health (USA) under anslag R01 EY030067. Författarna tackar Dr. Elton Graugnard för att ha producerat den sammansatta bilden som visas i figur 11.

OBS: På grund av det stora utbudet av kommersiellt tillgängliga AFM och mångfalden av provtyper och applikationer som finns för cantilever-baserad nanoindentation, är protokollet som följer avsiktligt utformat för att vara relativt allmänt till sin natur, med fokus på de gemensamma steg som är nödvändiga för alla cantilever-baserade nanoindentationsexperiment oavsett instrument eller tillverkare. På grund av detta antar författarna att läsaren har åtminstone grundläggande förtrogenhet med att använda ...

Provberedning För nanoindentering i luft inkluderar vanliga beredningsmetoder kryosektion (t.ex. vävnadsprover), slipning och/eller polering följt av ultramikrotomering (t.ex. hartsinbäddade biologiska prover), jonfräsning eller fokuserad jonstrålberedning (t.ex. halvledar-, porösa eller blandade hårdhetsprover som inte är mottagliga för polering), mekanisk eller elektrokemisk polering (t.ex. metalllegeringar) eller tunnfilmsavsättning (t.ex. atomskikt eller kemisk ångavsättning, molekyl...

Att förstå de mekaniska egenskaperna hos material är en av de mest grundläggande och väsentliga uppgifterna inom teknik. För analys av bulkmaterialegenskaper finns det många metoder tillgängliga för att karakterisera de mekaniska egenskaperna hos materialsystem, inklusive dragprov1, kompressionstester2 och tre- eller fyrpunktsböjningstester (böjningstester)3. Även om dessa tester i mikroskala kan ge ovärderlig information om bulkmaterialegenskaper, utförs de i allmänhet till misslyckande och är därför destruktiva. Dessutom saknar de den rumsliga upplösning som krävs för att noggrant undersöka mikro- och nanoskalans egenskaper hos många materialsystem som är av intresse idag, såsom tunna filmer, biologiska material och nanokompositer. För att börja ta itu med några av problemen med storskalig mekanisk testning, främst dess destruktiva natur, antogs mikrohårdhetstester från mineralogi. Hårdhet är ett mått på ett materials motstånd mot plastisk deformation under specifika förhållanden. I allmänhet använder mikrohårdhetstester en styv sond, vanligtvis tillverkad av härdat stål eller diamant, för att dra in i ett material. Det resulterande fördjupningsdjupet och / eller arean kan sedan användas för att bestämma hårdheten. Flera metoder har utvecklats, inklusive Vickers4, Knoop5 och Brinell6 hårdhet; Var och en ger ett mått på materialhårdhet i mikroskala, men under olika förhållanden och definitioner, och producerar därför endast data som kan jämföras med tester som utförs under samma förhållanden.
Instrumenterad nanoindentation utvecklades för att förbättra de relativa värdena som erhållits via de olika testmetoderna för mikrohårdhet, förbättra den rumsliga upplösningen som är möjlig för analys av mekaniska egenskaper och möjliggöra analys av tunna filmer. Viktigt, genom att använda metoden som först utvecklades av Oliver och Pharr7, kan den elastiska eller Youngs modul, E, av ett provmaterial bestämmas via instrumenterad nanoindentation. Genom att använda en Berkovich tresidig pyramidal nanoindentersond (vars ideala spetsområdesfunktion matchar Vickers fyrsidiga pyramidala sond)8, kan direkt jämförelse mellan nanoskala och mer traditionella hårdhetsmätningar i mikroskala göras. Med AFM: s ökade popularitet började AFM-cantilever-baserad nanoindentation också få uppmärksamhet, särskilt för att mäta de mekaniska egenskaperna hos mjukare material. Som ett resultat, som visas schematiskt i figur 1, är de två vanligaste teknikerna idag för att undersöka och kvantifiera mekaniska egenskaper i nanoskala instrumenterad nanoindentation (figur 1A) och AFM cantilever-baserad nanoindentation (figur 1B)9, varav den senare är fokus för detta arbete.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64497/64497fig01.jpg"> Figur 1: Jämförelse av instrumenterade och AFM-fribärande baserade nanoindentationssystem. Schematiska diagram som visar typiska system för att genomföra (A) instrumenterad nanoindentation och (B) AFM cantilever-baserad nanoindentation. Denna siffra modifierades från Qian et al.51. Förkortning: AFM = atomkraftmikroskopi. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64497/64497fig01large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
Både instrumenterad och AFM cantilever-baserad nanoindentation använder en styv sond för att deformera en provyta av intresse och övervaka den resulterande kraften och förskjutningen som en funktion av tiden. Vanligtvis specificeras antingen den önskade belastningen (dvs. kraft) eller (Z-piezo) förskjutningsprofilen av användaren via programvarugränssnittet och styrs direkt av instrumentet, medan den andra parametern mäts. Den mekaniska egenskapen som oftast erhålls från nanoindentationsexperiment är den elastiska modulen (E), även kallad Youngs modul, som har tryckenheter. Den elastiska modulen för ett material är en grundläggande egenskap relaterad till bindningsstyvheten och definieras som förhållandet mellan drag- eller tryckspänning (σ, den applicerade kraften per ytenhet) och axiell töjning (ε, den proportionella deformationen längs indragningsaxeln) under elastisk (dvs. reversibel eller tillfällig) deformation före början av plastisk deformation (ekvation [1]):
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq01.jpg" style="margin: auto;">(1)
Det bör noteras att eftersom många material (särskilt biologiska vävnader) faktiskt är viskoelastiska, består den (dynamiska eller komplexa) modulen i själva verket av både elastiska (lagring, i fas) och viskösa (förlust, ur fas) komponenter. I praktiken är det som mäts i ett nanoindentationsexperiment den reducerade modulen, E *, som är relaterad till den sanna provmodulen av intresse, E, som visas i ekvation (2):
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq02.jpg" style="margin: auto;">(2)
Där E-spetsen ochν-spetsen är den elastiska modulen respektive Poissons förhållande för nanoindenterspetsen, och ν är det uppskattade Poissons förhållande för provet. Poissons förhållande är det negativa förhållandet mellan den tvärgående och axiella töjningen och indikerar därmed graden av tvärgående töjning av ett prov när det utsätts för axiell töjning (t.ex. under nanoindentationsbelastning), som visas i ekvation (3):
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq03.jpg" style="margin: auto;">(3)
Omvandlingen från reducerad till faktisk modul är nödvändig eftersom a) en del av den axiella töjning som ges av indenterspetsen kan omvandlas till tvärgående töjning (dvs. provet kan deformeras via expansion eller sammandragning vinkelrätt mot belastningsriktningen), och b) indenterspetsen är inte oändligt hård, och därmed resulterar handlingen att dra in provet i någon (liten) mängd deformation av spetsen. Observera att i de fall där E-spetsen >> E (dvs. indenterspetsen är mycket hårdare än provet, vilket ofta är sant när man använder en diamantsond), förenklar förhållandet mellan den reducerade och faktiska provmodulen kraftigt till E ≈ E * (1 - v2). Medan instrumenterad nanoindentation är överlägsen när det gäller exakt kraftkarakterisering och dynamiskt omfång, är AFM-cantileverbaserad nanoindentation snabbare, ger storleksordningar större kraft och förskjutningskänslighet, möjliggör avbildning med högre upplösning och förbättrad indragningslokalisering och kan samtidigt undersöka magnetiska och elektriska egenskaper i nanoskala9. I synnerhet är AFM-fribärande baserad nanoindentation överlägsen för kvantifiering av mekaniska egenskaper på nanoskala av mjuka material (t.ex. polymerer, geler, lipid-dubbellager och celler eller andra biologiska material), extremt tunna (sub-μm) filmer (där substrateffekter kan spela in beroende på intrycksdjup)10,11 och suspenderade tvådimensionella (2D) material 12,13,14 såsom grafen15,16, glimmer17, hexagonal bornitrid (h-BN)18 eller övergångsmetalldikalkogenider (TMDC; t.ex. MoS2)19. Detta beror på dess utsökta kraft (sub-nN) och förskjutningskänslighet (sub-nm), vilket är viktigt för att exakt bestämma den ursprungliga kontaktpunkten och förbli inom det elastiska deformationsområdet.
Vid AFM-fribärande nanoindentation påverkas förskjutningen av en AFM-sond mot provytan av ett kalibrerat piezoelektriskt element (figur 1B), med den flexibla utskjutaren så småningom böjd på grund av den resistiva kraften som upplevs vid kontakt med provytan. Denna böjning eller avböjning av utskjutaren övervakas vanligtvis genom att reflektera en laser från baksidan av utskjutaren och in i en fotodetektor (positionskänslig detektor [PSD]). Tillsammans med kunskapen om utskjutande styvhet (i nN/nm) och avböjningskänslighet (i nm/V) är det möjligt att omvandla denna uppmätta fribärande avböjning (i V) till den kraft (i nN) som appliceras på provet. Efter kontakt ger skillnaden mellan Z-piezorörelsen och den utskjutande avböjningen provets intrycksdjup. I kombination med kunskapen om spetsområdets funktion möjliggör detta beräkning av kontaktytan för spetsprovet. Lutningen på kontaktdelarna av de resulterande kraftavstånds- eller kraftförskjutningskurvorna (F-D) kan sedan anpassas med hjälp av en lämplig kontaktmekanikmodell (se avsnittet Dataanalys i diskussionen) för att bestämma provets nanomekaniska egenskaper. Medan AFM cantilever-baserad nanoindentation har några distinkta fördelar jämfört med instrumenterad nanoindentation som beskrivits ovan, presenterar den också flera praktiska implementeringsutmaningar, såsom kalibrering, spetsslitage och dataanalys, som kommer att diskuteras här. En annan potentiell nackdel med AFM cantilever-baserad nanoindentation är antagandet om linjär elasticitet, eftersom kontaktradien och indragningsdjupet måste vara mycket mindre än indenterradien, vilket kan vara svårt att uppnå när man arbetar med AFM-sonder i nanoskala och / eller prover som uppvisar betydande ytjämnhet.
Traditionellt har nanoindentation begränsats till enskilda platser eller små rutnätindragningsexperiment, där en önskad plats (dvs. intresseområde [ROI]) väljs och ett enda kontrollerat indrag, flera indrag på en enda plats åtskilda av viss väntetid och / eller ett grovt rutnät av indrag utförs med en hastighet i storleksordningen Hz. De senaste framstegen inom AFM möjliggör emellertid samtidig förvärv av mekaniska egenskaper och topografi genom användning av höghastighetskraftkurvbaserade bildlägen (refererade till av olika handelsnamn beroende på systemtillverkaren), där kraftkurvor utförs med en kHz-hastighet under belastningskontroll, med den maximala spetsprovkraften som används som bildbörvärde. Point-and-shoot-metoder har också utvecklats, vilket möjliggör förvärv av en AFM-topografibild följt av efterföljande selektiv nanoindentation vid intressanta platser i bilden, vilket ger nanoskala rumslig kontroll över nanoindentationsplatsen. Även om det inte är det primära fokuset för detta arbete, presenteras specifika utvalda applikationsexempel på både kraftkurvbaserad avbildning och point-and-shoot cantilever-baserad nanoindentation i de representativa resultaten och kan användas tillsammans med protokollet som beskrivs nedan om det finns tillgängligt på den specifika AFM-plattformen som används. Specifikt beskriver detta arbete ett generaliserat protokoll för den praktiska implementeringen av AFM cantilever-baserad nanoindentation på alla kapabla AFM-system och ger fyra användningsfallsexempel (två i luft, två i vätska) av tekniken, inklusive representativa resultat och en djupgående diskussion om nyanser, utmaningar och viktiga överväganden för att framgångsrikt använda tekniken.

<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

Ett atomkraftmikroskop (AFM) mäter i grunden interaktionen mellan en nanoskala AFM-sondspets och provytan. Om kraften som anbringas av sondspetsen och dess kontaktyta med provet kan kvantifieras är det möjligt att bestämma de mekaniska egenskaperna i nanoskala (t.ex. elastisk eller Youngs modul) hos ytan som undersöks. En detaljerad procedur för att utföra kvantitativa AFM cantilever-baserade nanoindentationsexperiment tillhandahålls här, med representativa exempel på hur tekniken kan tillämpas för att bestämma den elastiska modulen för en mängd olika provtyper, allt från kPa till GPa. Dessa inkluderar levande mesenkymala stamceller (MSC) och kärnor i fysiologisk buffert, hartsinbäddade dehydrerade loblolly talltvärsnitt och Bakken-skiffer med varierande sammansättning.
Dessutom används AFM cantilever-baserad nanoindentation för att undersöka brottstyrkan (dvs genombrottskraften) av fosfolipid-dubbelskikt. Viktiga praktiska överväganden som metodval och utveckling, val och kalibrering av prober, identifiering av intresseområde, provheterogenitet, egenskapsstorlek och bildförhållande, spetsslitage, ytjämnhet och dataanalys och mätstatistik diskuteras för att underlätta korrekt implementering av tekniken. Slutligen demonstreras samlokalisering av AFM-härledda nanomekaniska kartor med elektronmikroskopitekniker som ger ytterligare information om elementär sammansättning.

Kurvor för kraftförskjutning Figur 7 visar representativa, nästan idealiska F-D-kurvor erhållna från nanoindentationsexperiment utförda i luft på hartsinbäddade loblolly tallprover (figur 7A) och i vätska (fosfatbuffrad saltlösning [PBS]) på mesenkymala stamcellskärnor (MSC) (figur 7B). Användningen av alla kontaktmekaniska modeller bygger på noggrann och tillförlitlig bestämning av den ursprungli...

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

Kvantifiering av kontaktytan och kraften som appliceras av ett atomkraftmikroskop (AFM) sondspets på en provyta möjliggör mekanisk egenskapsbestämning i nanoskala. Bästa praxis för att implementera AFM cantilever-baserad nanoindentation i luft eller vätska på mjuka och hårda prover för att mäta elastisk modul eller andra nanomekaniska egenskaper diskuteras.

Atomkraftmikroskopi Cantilever-baserad nanoindentation: Mekaniska egenskapsmätningar på nanoskala i luft och vätska

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-baserad nanoindentation, kan användas för att bestämma nanoskala mekaniska egenskaper hos material som sträcker sig modul, från kilopascal till gigapascals i både luft och vätska. AFM cantilever-baserad nanoindentation möjliggör samlokaliserad topografisk avbildning och in situ kvantitativa mekaniska egenskapsmätningar med nanoskala precision och upplösning på ett brett spektrum av material och relevanta miljöer. AFM cantilever-baserad nanoindentation kan användas för att skilja mellan friska och sjukdomsstrukturer, vävnader eller celler som uppvisar divergerande mekaniska egenskaper.Exakt bestämma spetsprovets kontaktyta och kraft som appliceras under cantilever-baserad nanoindentation kräver noggrann kalibrering av AFM-sonden, vilket är utmanande men viktigt för kvantitativa mekaniska egenskapsmätningar i nanoskala. Börja med att välja en lämplig atomkraftmikroskopi eller AFM-sond för nanoindentering av det avsedda provet baserat på medium, förväntad modul, provtopografi och relevanta egenskapsstorlekar. Ladda sonden på sondhållaren och fäst sondhållaren på AFM-skannerhuvudet.Välj ett lämpligt nanoindentationsläge i AFM-programvaran som ger användaren kontroll över enskilda ramper. Rikta in lasern på baksidan av sondutskjutaren mittemot sondspetsens placering och in i den positionskänsliga detektorn, eller PSD. Centrera laserstrålens punkt på baksidan av utskjutaren genom att maximera summaspänningen.Centrera sedan den reflekterade laserstrålepunkten på PSD genom att justera de vertikala och horisontella avböjningssignalerna så att de är så nära noll som möjligt, vilket ger det maximala detekterbara avböjningsområdet för att producera en utgångsspänning som är proportionell mot utskjutande avböjning. Kalibrera avböjningskänsligheten, eller DS, för sondens AFM-system. För att göra detta, ställ in och utför DS-kalibreringsindrag på safir för att uppnå ungefär samma sondböjning som de planerade provindragen eftersom den uppmätta förskjutningen är en funktion av spetsböjningsvinkeln och blir olinjär för stora avböjningar.Upprepa rampen fem gånger. Bestäm DS i nanometer per volt eller den inversa optiska spakens känslighet och volt per nanometer från lutningen på den linjära delen av kontaktregimen efter den initiala kontaktpunkten i den resulterande kraftförskjutningskurvan eller FD-kurvan. Använd medelvärdet av värdena för maximal noggrannhet.Om den relativa standardavvikelsen överstiger 1 % mäts DS om, eftersom de första FD-kurvorna ibland inte är idealiska på grund av den initiala införandet av adhesiva krafter. Om sondutskjutarens fjäderkonstant K inte är fabrikskalibrerad, kalibrera fjäderkonstanten. Om sonden inte har en fabrikskalibrerad spetsradiemätning, mät den effektiva spetsradien R.Om du använder rekonstruktionsmetoden för blindspetsen, avbilda spetskarakteriseringen eller grovhetsprovet med en långsam skanningshastighet och höga återkopplingsvinster för att optimera spårningen av de mycket skarpa funktionerna.Välj bildstorlek och pixeltäthet baserat på förväntad spetsradie. Använd sedan AFM-bildanalysprogramvara för att modellera sondspetsen och uppskatta dess ändradie och effektiva spetsdiameter vid det förväntade provindragningsdjupet. När du har slutfört sondkalibreringen anger du DS-, K- och R-värdena i programvaran.Ange slutligen en uppskattning av provets Poissons förhållande för att konvertera den uppmätta reducerade modulen till den faktiska provmodulen. Om man använder en konisk eller konosfärisk kontaktmekanikmodell baserad på spetsformen och indragningsdjupet, är det nödvändigt att ange spetsens halvvinkel. Navigera i exemplet under AFM-huvudet och engagera dig i önskad intresseregion.Övervaka den vertikala avböjningssignalen eller utför en liten inledande ramp för att verifiera att spetsen och provet är i kontakt. Justera AFM-huvudpositionen något uppåt och ramp igen. Upprepa tills spetsen och provet är precis ur kontakt, vilket framgår av en nästan platt ramp och minimal vertikal avböjning av utskjutaren.När det inte finns någon uppenbar interaktion med spetsprovet, sänk AFM-huvudet med en mängd som motsvarar cirka 50 % av rampstorleken för att säkerställa att sondspetsen inte kraschar in i provet när AFM-huvudet flyttas manuellt. Ramp igen, upprepa tills en bra kurva observeras. Justera rampparametrarna.Välj en lämplig rampstorlek beroende på prov och önskat indragningsdjup. Välj sedan en lämplig ramphastighet. En hertz är en bra utgångspunkt för de flesta prover.Ställ in antalet prover per ramp för att uppnå önskad upplösning av mätningen. Ställ in X-roteringen för att minska skjuvkrafterna på provet och spetsen genom att samtidigt flytta sonden något i X-riktningen medan den dras in i Z-riktningen. Använd ett värde för X-rotationen som är lika med sondhållarens förskjutningsvinkel i förhållande till ytan normal.Välj sedan om du vill använda en utlöst eller outlöst ramp. Om en utlöst ramp väljs anger du tröskelvärdet för utlösaren så att det resulterar i önskad indragning i provet. Utför ett indrag på den valda platsen.Välj och ladda data som ska analyseras i programvaran. Ange kalibrerade värden för fjäderkonstant, DS eller invers optisk spakkänslighet och sondspetsradie, tillsammans med en uppskattning av Poissons förhållande för provet. Välj en nanoindentationskontaktmekanikmodell som är lämplig för spetsen och provet.Kör anpassningsalgoritmen. Kontrollera att FD-kurvorna är korrekt passade. Ett lågt restfel som motsvarar en genomsnittlig R-kvadrat nära enhet indikerar en bra passform till den valda modellen.Om så önskas kan du stickprovskontrollera enskilda kurvor för att visuellt inspektera kurvan, modellens anpassning och beräknade kontaktpunkter. Nära idealiska FD-kurvor erhållna i luften på ett hartsinbäddat loblolly tallprov och i fosfatbuffrad saltlösning på en mesenkymal stamcellskärna visas. Med kiselsonden upplevde spetsen betydande slitage i förhållande till dess ursprungliga orörda tillstånd under hela bilden.Med varje efterföljande bild blir spetsen gradvis mer rundad. Till skillnad från diamantsonden förändrades inte spetsradien inom blindspetsens rekonstruktionsmetods gränser, vilket framhäver diamantens extrema slitstyrka. En AFM-topografibild som täcker flera celler med en pseudo 3D-avbildning och en motsvarande modulkarta över ett loblolly tallprov visas här.AFM-härledd modulkarta som genereras när man erhåller en AFM-bild visar att mineralinkluderingen i mitten av bilderna är betydligt svårare än den omgivande organiska matrisen. Effekten av sondspetsradie och form på utseendet på egenskaper med högt bildförhållande hos ett Bakken-skifferprov visas. Cantilever-baserad nanoindentation på mesenkymala stamceller och isolerade kärnor uppvisade ingen statistisk skillnad i elastisk modul.Morfologin och de mekaniska egenskaperna hos kolesterolhaltiga lipidlager studerade av AFM demonstreras här. Korrekt probkalibrering och val av lämpliga rampparametrar i kontaktmekaniska modeller är avgörande för noggranna nanomekaniska mätningar. Förutom att möjliggöra elastiska modulära mätningar kan AFM cantilever-baserad nanoindentation användas för att undersöka brottstyrkan eller genombrottskraften hos fosfolipid-dubbelskikt under fysiologiska relevanta förhållanden.AFM cantilever-baserad nanoindentation har möjliggjort undersökning av effekterna av strukturella knockouts, farmaceutiska behandlingar och lågintensiva vibrationer för att simulera träning på de mekaniska egenskaperna hos mesenkymala stamcellskärnor.

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 och mekaniska egenskaper Mätningar av organiska solceller material med 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

Tillverkning av enhetliga håligheter i nanoskala via Silicon Direct Wafer Bonding

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 Microscopy av Red-Light Fotoreceptorer Använda PeakForce Kvantitativ Nanomechanical Property 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

Förberedelse och Friction Force Microscopy Mätningar av blandas, Opposing Polymer Borstar

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 amplitudmodulering atomkraftsmikroskopi i Liquid

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

Mätning av Quantum Interference i Silicon ringresonator 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

Karakterisering i nanoskala av vätske-fasta gränssnitt genom koppling av kryofokuserad jonstrålefräsning med svepelektronmikroskopi och 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

Optimera magnetisk kraftmikroskopiupplösning och känslighet för att visualisera magnetiska domäner i nanoskala

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

Parallella aktiva fribärande arrayer i AFMS för att möjliggöra inspektioner med hög genomströmning

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

Författare i fokus: Introduktion till Active Probe Atomic Force-mikroskopi med Quattro-Parallel Cantilever Arrays

Aktiv sondatomkraftsmikroskopi med Quattro-parallella konsoler för storskalig provinspektion med hög genomströmning

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