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

Tüm AFM deneyleri Boise State Üniversitesi Yüzey Bilimleri Laboratuvarı'nda (SSL) gerçekleştirildi. SEM karakterizasyonu Boise State Center for Materials Characterization'da (BSCMC) gerçekleştirildi. Bu yayında biyoyakıt hammaddeleri ile ilgili olarak bildirilen araştırmalar, kısmen ABD Enerji Bakanlığı, Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi, Hammadde Dönüşüm Arayüzü Konsorsiyumu'nun (FCIC) bir parçası olarak Biyoenerji Teknolojileri Ofisi tarafından ve DOE Idaho Operasyon Ofisi Sözleşmesi DE-AC07-051ID14517 kapsamında desteklenmiştir. Hücre mekaniği çalışmaları, Ulusal Sağlık Enstitüleri (ABD) tarafından AG059923, AR075803 ve P20GM109095 hibeleri ve Ulusal Bilim Vakfı (ABD) 1929188 ve 2025505 hibeleri ile desteklenmiştir. Model lipid çift katmanlı sistemler çalışması, R01 EY030067 hibesi kapsamında Ulusal Sağlık Enstitüleri (ABD) tarafından desteklenmiştir. Yazarlar, Şekil 11'de gösterilen kompozit görüntüyü ürettiği için Dr. Elton Graugnard'a teşekkür eder.

NOT: Ticari olarak temin edilebilen çok çeşitli AFM'ler ve konsol bazlı nanogirinti için mevcut olan numune tiplerinin ve uygulamalarının çeşitliliği nedeniyle, takip eden protokol, cihaz veya üreticiden bağımsız olarak tüm konsol tabanlı nanogirinti deneyleri için gerekli olan paylaşılan adımlara odaklanarak, doğada nispeten genel olacak şekilde kasıtlı olarak tasarlanmıştır. Bu nedenle, yazarlar okuyucunun konsol bazlı nanogirinti yapmak için seçilen belirli enstrümanı çalıştırma kon...

Numune hazırlama Havadaki nanogirinti için, yaygın hazırlama yöntemleri arasında kriyoseksiyon (örneğin, doku numuneleri), taşlama ve / veya parlatma ve ardından ultramikrotoming (örneğin, reçineye gömülü biyolojik numuneler), iyon frezeleme veya odaklanmış iyon demeti hazırlama (örneğin, parlatma için uygun olmayan yarı iletken, gözenekli veya karışık sertlik numuneleri), mekanik veya elektrokimyasal parlatma (örneğin, metal alaşımları) veya ince film biriktirme (örne...

Malzemelerin mekanik özelliklerini anlamak, mühendislikteki en temel ve temel görevlerden biridir. Dökme malzeme özelliklerinin analizi için, malzeme sistemlerinin mekanik özelliklerini karakterize etmek için çekme testleri1, sıkıştırma testleri2 ve üç veya dört noktalı eğilme (eğilme) testleri3 dahil olmak üzere çok sayıda yöntem mevcuttur. Bu mikro ölçekli testler, dökme malzeme özellikleri hakkında paha biçilmez bilgiler sağlayabilirken, genellikle başarısızlığa uğrar ve bu nedenle yıkıcıdır. Ek olarak, ince filmler, biyolojik malzemeler ve nanokompozitler gibi günümüzde ilgi çekici olan birçok malzeme sisteminin mikro ve nano ölçekli özelliklerini doğru bir şekilde araştırmak için gerekli mekansal çözünürlükten yoksundurlar. Büyük ölçekli mekanik testlerle ilgili bazı problemleri, özellikle de yıkıcı doğasını ele almaya başlamak için, mikrosertlik testleri mineralojiden benimsenmiştir. Sertlik, bir malzemenin belirli koşullar altında plastik deformasyona karşı direncinin bir ölçüsüdür. Genel olarak, mikrosertlik testleri, bir malzemeye girinti yapmak için genellikle sertleştirilmiş çelik veya elmastan yapılmış sert bir prob kullanır. Elde edilen girinti derinliği ve / veya alanı daha sonra sertliği belirlemek için kullanılabilir. Vickers4, Knoop5 ve Brinell6 sertliği dahil olmak üzere çeşitli yöntemler geliştirilmiştir; Her biri mikro ölçekli malzeme sertliğinin bir ölçüsünü sağlar, ancak farklı koşullar ve tanımlar altında ve bu nedenle yalnızca aynı koşullar altında gerçekleştirilen testlerle karşılaştırılabilecek veriler üretir.
Aletli nanogirinti, çeşitli mikrosertlik test yöntemleri ile elde edilen nispi değerleri iyileştirmek, mekanik özelliklerin analizi için mümkün olan uzamsal çözünürlüğü geliştirmek ve ince filmlerin analizini sağlamak için geliştirilmiştir. Önemli olarak, ilk olarak Oliver ve Pharr7 tarafından geliştirilen yöntem kullanılarak, bir numune malzemesinin elastik veya Young modülü E, aletli nanogirinti yoluyla belirlenebilir. Ayrıca, bir Berkovich üç taraflı piramidal nanoindenter probu (ideal uç alanı fonksiyonu Vickers dört taraflı piramidal probunkiyle eşleşir)8 kullanılarak, nano ölçekli ve daha geleneksel mikro ölçekli sertlik ölçümleri arasında doğrudan karşılaştırma yapılabilir. AFM'nin popülaritesinin artmasıyla birlikte, AFM konsol bazlı nanogirinti, özellikle daha yumuşak malzemelerin mekanik özelliklerini ölçmek için de dikkat çekmeye başladı. Sonuç olarak, Şekil 1'de şematik olarak gösterildiği gibi, nano ölçekli mekanik özellikleri sorgulamak ve ölçmek için günümüzde en yaygın olarak kullanılan iki teknik, bu çalışmanın odak noktası olan aletli nanogirinti (Şekil 1A) ve AFM konsol tabanlı nanogirinti (Şekil 1B)9'dur.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64497/64497fig01.jpg"> Şekil 1: Aletli ve AFM konsol bazlı nanogirinti sistemlerinin karşılaştırılması. (A) aletli nanogirinti ve (B) AFM konsol tabanlı nanogirinti iletmek için tipik sistemleri gösteren şematik diyagramlar. Bu rakam Qian ve ark.51'den değiştirilmiştir. Kısaltma: AFM = atomik kuvvet mikroskobu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64497/64497fig01large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Hem aletli hem de AFM konsol bazlı nanogirinti, ilgilenilen bir numune yüzeyini deforme etmek ve ortaya çıkan kuvveti ve yer değiştirmeyi zamanın bir fonksiyonu olarak izlemek için sert bir prob kullanır. Tipik olarak, istenen yük (yani kuvvet) veya (Z-piezo) yer değiştirme profili, kullanıcı tarafından yazılım arayüzü aracılığıyla belirlenir ve diğer parametre ölçülürken doğrudan cihaz tarafından kontrol edilir. Nanogirinti deneylerinden en sık elde edilen mekanik özellik, basınç birimlerine sahip Young modülü olarak da adlandırılan elastik modüldür (E). Bir malzemenin elastik modülü, bağ sertliği ile ilgili temel bir özelliktir ve plastik deformasyonun başlamasından önce elastik (yani tersinir veya geçici) deformasyon sırasında çekme veya basınç gerilmesinin (σ, birim alan başına uygulanan kuvvet) eksenel gerinime (ε, girinti ekseni boyunca orantılı deformasyon) oranı olarak tanımlanır (denklem [1]):
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq01.jpg" style="margin: auto;">(1)
Birçok malzemenin (özellikle biyolojik dokuların) aslında viskoelastik olması nedeniyle, gerçekte, (dinamik veya karmaşık) modülün hem elastik (depolama, faz içinde) hem de viskoz (kayıp, faz dışı) bileşenlerden oluştuğu belirtilmelidir. Gerçek uygulamada, bir nanogirinti deneyinde ölçülen şey, denklemde (2) gösterildiği gibi, ilgilenilen gerçek numune modülü E ile ilişkili olan indirgenmiş modül E * 'dir:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq02.jpg" style="margin: auto;">(2)
Burada E ucu ve ν ucu, nanoindenter ucunun sırasıyla elastik modülü ve Poisson oranıdır ve ν, numunenin tahmini Poisson oranıdır. Poisson oranı, enine eksenel gerinimin negatif oranıdır ve bu nedenle, denklemde (3) gösterildiği gibi, eksenel gerinimlere (örneğin, nanogirinti yüklemesi sırasında) maruz kalındığında bir numunenin enine uzama derecesini gösterir:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq03.jpg" style="margin: auto;">(3)
İndirgenmiş modülden gerçek modüle dönüşüm gereklidir, çünkü a) girinti ucu tarafından verilen eksenel gerinimin bir kısmı enine gerinime dönüştürülebilir (yani, numune yükleme yönüne dik olarak genleşme veya büzülme yoluyla deforme olabilir) ve b) girinti ucu sonsuz derecede sert değildir ve bu nedenle numuneyi girintileme eylemi, ucun bir miktar (küçük) deformasyonuna neden olur. E ucunun E >> durumunda (yani, girinti ucu numuneden çok daha zordur, ki bu genellikle bir elmas probu kullanıldığında doğrudur), indirgenmiş ve gerçek numune modülü arasındaki ilişkinin E ≈ E * (1 - v2) için büyük ölçüde basitleştirildiğini unutmayın. Aletli nanogirinti, doğru kuvvet karakterizasyonu ve dinamik aralık açısından üstün olsa da, AFM konsol tabanlı nanogirinti daha hızlıdır, büyüklük sıralarında daha fazla kuvvet ve yer değiştirme hassasiyeti sağlar, daha yüksek çözünürlüklü görüntüleme ve gelişmiş girinti konumlandırma sağlar ve aynı anda nano ölçekli manyetik ve elektriksel özellikleri araştırabilir9. Özellikle, AFM konsol bazlı nanogirinti, yumuşak malzemelerin (örneğin, polimerler, jeller, lipit çift katmanları ve hücreler veya diğer biyolojik malzemeler), son derece ince (alt μm) filmlerin (girinti derinliğine bağlı olarak substrat etkilerinin devreye girebileceği) nano ölçekte mekanik özelliklerin nicelleştirilmesi için üstündür.10,11 ve grafen gibi asılı iki boyutlu (2D) malzemeler12,13,1415,16, mika17, altıgen bor nitrür (h-BN)18 veya geçiş metali dikalkojenitler (TMDC'ler; örneğin, MoS2)19. Bunun nedeni, ilk temas noktasını doğru bir şekilde belirlemek ve elastik deformasyon bölgesinde kalmak için önemli olan mükemmel kuvvet (sub-nN) ve yer değiştirme (sub-nm) hassasiyetidir.
AFM konsol bazlı nanogirintide, bir AFM probunun numune yüzeyine doğru yer değiştirmesi, kalibre edilmiş bir piezoelektrik eleman (Şekil 1B) tarafından harekete geçirilir ve esnek konsol, numune yüzeyiyle temas ettiğinde yaşanan dirençli kuvvet nedeniyle sonunda bükülür. Konsoldaki bu bükülme veya sapma tipik olarak bir lazeri konsol arkasından ve bir fotodetektöre (konuma duyarlı dedektör [PSD]) yansıtarak izlenir. Konsol sertliği (nN/nm cinsinden) ve sapma hassasiyeti (nm/V cinsinden) bilgisi ile birleştiğinde, ölçülen bu konsol sapmasını (V cinsinden) numuneye uygulanan kuvvete (nN cinsinden) dönüştürmek mümkündür. Temasın ardından, Z-piezo hareketi ile konsol sapması arasındaki fark, numune girinti derinliğini verir. Uç alanı fonksiyonunun bilgisi ile birleştiğinde, bu, uç-numune temas alanının hesaplanmasını sağlar. Elde edilen kuvvet-mesafe veya kuvvet-yer değiştirme (F-D) eğrilerinin temas halindeki kısımlarının eğimi, numunenin nanomekanik özelliklerini belirlemek için uygun bir temas mekaniği modeli (tartışmanın Veri Analizi bölümüne bakınız) kullanılarak sığdırılabilir. AFM konsol bazlı nanogirinti, yukarıda açıklandığı gibi aletli nanogirintiye göre bazı belirgin avantajlara sahip olsa da, burada tartışılacak olan kalibrasyon, uç aşınması ve veri analizi gibi çeşitli pratik uygulama zorlukları da sunmaktadır. AFM konsol tabanlı nanogirintinin bir diğer potansiyel dezavantajı, temas yarıçapı ve girinti derinliklerinin, nano ölçekli AFM probları ve / veya önemli yüzey pürüzlülüğü sergileyen numunelerle çalışırken elde edilmesi zor olabilen indenter yarıçapından çok daha küçük olması gerektiğinden, doğrusal elastikiyet varsayımıdır.
Geleneksel olarak, nanogirinti, istenen bir konumun (yani, ilgi alanı [ROI]) seçildiği ve tek bir kontrollü girinti, bir miktar bekleme süresi ile ayrılmış tek bir konumda birden fazla girinti ve / veya kaba bir girinti ızgarasının Hz sırasına göre bir oranda gerçekleştirildiği bireysel konumlar veya küçük ızgara girinti deneyleri ile sınırlandırılmıştır. Bununla birlikte, AFM'deki son gelişmeler, yüksek hızlı kuvvet eğrisi tabanlı görüntüleme modlarının (sistem üreticisine bağlı olarak çeşitli ticari isimlerle anılır) kullanılmasıyla mekanik özelliklerin ve topografyanın eşzamanlı olarak edinilmesine izin verir; burada kuvvet eğrileri, görüntüleme ayar noktası olarak kullanılan maksimum uç-numune kuvveti ile yük kontrolü altında bir kHz hızında gerçekleştirilir. Bir AFM topografya görüntüsünün elde edilmesine ve ardından görüntü içindeki ilgi çekici noktalarda seçici nanogirintinin ardından nanogirinti konumu üzerinde nano ölçekli mekansal kontrol sağlayan bas ve çek yöntemleri de geliştirilmiştir. Bu çalışmanın birincil odağı olmasa da, hem kuvvet eğrisi tabanlı görüntüleme hem de bas ve çek konsol tabanlı nanogirintinin spesifik seçilmiş uygulama örnekleri temsili sonuçlarda sunulmuştur ve kullanılan belirli AFM platformunda mevcutsa aşağıda özetlenen protokolle birlikte kullanılabilir. Spesifik olarak, bu çalışma, herhangi bir yetenekli AFM sisteminde AFM konsol tabanlı nanogirintinin pratik uygulaması için genelleştirilmiş bir protokolü özetlemektedir ve temsili sonuçlar ve tekniğin başarılı bir şekilde kullanılması için nüansların, zorlukların ve önemli hususların derinlemesine tartışılması da dahil olmak üzere tekniğin dört kullanım örneği (ikisi havada, ikisi sıvıda) sunmaktadır.

<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

Bir atomik kuvvet mikroskobu (AFM), nano ölçekli bir AFM prob ucu ile numune yüzeyi arasındaki etkileşimi temel olarak ölçer. Prob ucu ve numune ile temas alanı tarafından uygulanan kuvvet ölçülebilirse, incelenen yüzeyin nano ölçekli mekanik özelliklerini (örneğin, elastik veya Young modülü) belirlemek mümkündür. Kantitatif AFM konsol tabanlı nanogirinti deneylerinin gerçekleştirilmesi için ayrıntılı bir prosedür, kPa'dan GPa'ya kadar çok çeşitli numune tiplerinin elastik modüllerini belirlemek için tekniğin nasıl uygulanabileceğine dair temsili örneklerle birlikte burada verilmiştir. Bunlar arasında canlı mezenkimal kök hücreler (MSC'ler) ve fizyolojik tampondaki çekirdekler, reçineye gömülü kurutulmuş loblolly çam kesitleri ve çeşitli bileşimlerde Bakken şeylleri bulunur.
Ek olarak, AFM konsol bazlı nanogirinti, fosfolipid çift katmanlarının kopma mukavemetini (yani atılım kuvvetini) araştırmak için kullanılır. Tekniğin doğru uygulanmasına yardımcı olmak için metot seçimi ve geliştirme, prob seçimi ve kalibrasyonu, ilgilenilen bölgenin tanımlanması, numune heterojenliği, özellik boyutu ve en boy oranı, uç aşınması, yüzey pürüzlülüğü ve veri analizi ve ölçüm istatistikleri gibi önemli pratik hususlar tartışılmaktadır. Son olarak, AFM türevli nanomekanik haritaların element bileşimi hakkında ek bilgi sağlayan elektron mikroskobu teknikleri ile birlikte lokalizasyonu gösterilmiştir.

Kuvvet-yer değiştirme eğrileri Şekil 7, reçineye gömülü loblolly çam örnekleri (Şekil 7A) ve mezenkimal kök hücre (MSC) çekirdekleri üzerindeki sıvıda (fosfat tamponlu salin [PBS]) havada yapılan nanogirinti deneylerinden elde edilen temsili, ideale yakın F-D eğrilerini göstermektedir (Şekil 7B). Herhangi bir temas mekaniği modelinin kullanılması, ilk uç-numune temas noktasının doğru ...

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

Bir atomik kuvvet mikroskobu (AFM) prob ucu tarafından bir numune yüzeyine uygulanan temas alanının ve kuvvetin ölçülmesi, nano ölçekli mekanik özellik belirlemeyi mümkün kılar. Elastik modülü veya diğer nanomekanik özellikleri ölçmek için yumuşak ve sert numunelerde havada veya sıvıda AFM konsol bazlı nanogirinti uygulamak için en iyi uygulamalar tartışılmaktadır.

Atomik Kuvvet Mikroskobu Konsol Tabanlı Nanogirinti: Hava ve Sıvıda Nanoölçekte Mekanik Özellik Ölçümleri

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

Atomik kuvvet mikroskobu veya AFM konsol bazlı nanogirinti, hem hava hem de sıvıdaki kilopaskallardan gigapaskallara kadar değişen modüllere kadar değişen malzemelerin nano ölçekli mekanik özelliklerini belirlemek için kullanılabilir. AFM konsol tabanlı nanogirinti, çok çeşitli malzemeler ve ilgili ortamlar üzerinde nano ölçekli hassasiyet ve çözünürlük ile birlikte lokalize topografik görüntüleme ve yerinde kantitatif mekanik özellik ölçümleri sağlar. AFM konsol bazlı nanogirinti, farklı mekanik özellikler sergileyen sağlıklı ve hastalık yapıları, dokuları veya hücreleri arasında ayrım yapmak için kullanılabilir.Konsol bazlı nanogirinti sırasında uygulanan uç numune temas alanını ve kuvvetini doğru bir şekilde belirlemek, kantitatif nano ölçekli mekanik özellik ölçümleri için zorlu ancak gerekli olan AFM probunun dikkatli bir şekilde kalibrasyonunu gerektirir. Başlamak için, ortama, beklenen modüle, numune topografyasına ve ilgili özellik boyutlarına bağlı olarak amaçlanan numunenin nanogirintisi için uygun bir atomik kuvvet mikroskobu veya AFM probu seçin. Probu prob tutucuya takın ve prob tutucuyu AFM tarama kafasına takın.AFM yazılımında, bireysel rampaların kullanıcı kontrolünü sağlayan uygun bir nanogirinti modu seçin. Lazeri, prob ucunun bulunduğu yerin karşısındaki prob konsolunun arkasına ve konuma duyarlı dedektöre veya PSD'ye hizalayın. Toplam voltajı en üst düzeye çıkararak lazer ışını noktasını konsol arkasında ortalayın.Daha sonra, dikey ve yatay sapma sinyallerini mümkün olduğunca sıfıra yakın olacak şekilde ayarlayarak yansıyan lazer ışını noktasını PSD üzerinde ortalayın, böylece konsol sapmasıyla orantılı bir çıkış voltajı üretmek için maksimum algılanabilir sapma aralığı sağlayın. Prob AFM sisteminin sapma hassasiyetini veya DS'sini kalibre edin. Bunu yapmak için, planlanan numune girintileriyle yaklaşık olarak aynı prob sapmasını elde etmek için Safir üzerinde DS kalibrasyon girintileri ayarlayın ve gerçekleştirin, çünkü ölçülen yer değiştirme, uç sapma açısının bir fonksiyonudur ve büyük sapmalar için doğrusal olmayan hale gelir.Rampayı beş kez tekrarlayın. DS'yi volt başına nanometre cinsinden veya ters optik kol hassasiyetini ve nanometre başına voltları, sonuçta ortaya çıkan kuvvet yer değiştirmesindeki veya FD eğrisindeki ilk temas noktasından sonra temas içi rejimin doğrusal kısmının eğiminden belirleyin. Maksimum doğruluk için değerlerin ortalamasını kullanın.Göreceli standart sapma% 1'i aşarsa, DS'yi yeniden ölçün, çünkü bazen ilk birkaç FD eğrisi, yapışkan kuvvetlerin ilk girişinden dolayı ideal değildir. Prob konsolunun yay sabiti K fabrikada kalibre edilmemişse, yay sabitini kalibre edin. Probun fabrikada kalibre edilmiş bir uç yarıçapı ölçümü yoksa, etkili uç yarıçapını ölçün R.Kör uç rekonstrüksiyon yöntemini kullanıyorsanız, çok keskin özelliklerin izlenmesini optimize etmeye yardımcı olmak için yavaş bir tarama hızı ve yüksek geri bildirim kazanımları kullanarak uç karakterizasyonunu veya pürüzlülük örneğini görüntüleyin.Beklenen uç yarıçapına göre bir görüntü boyutu ve piksel yoğunluğu seçin. Ardından, prob ucunu modellemek ve beklenen numune girinti derinliğinde uç yarıçapını ve etkili uç çapını tahmin etmek için AFM görüntü analiz yazılımını kullanın. Prob kalibrasyonunu tamamladıktan sonra, yazılıma DS, K ve R değerlerini girin.Son olarak, ölçülen indirgenmiş modülü gerçek numune modülüne dönüştürmek için numunenin Poisson oranının bir tahminini girin. Uç şekline ve girinti derinliğine dayalı bir konik veya konosferik temas mekaniği modeli kullanılıyorsa, uç yarım açısının girilmesi gerekir. AFM başlığının altındaki örnekte gezinin ve istediğiniz ilgi alanına girin.Dikey sapma sinyalini izleyin veya uç ile numunenin temas halinde olduğunu doğrulamak için küçük bir başlangıç rampası gerçekleştirin. AFM kafa pozisyonunu hafifçe yukarı doğru ayarlayın ve tekrar rampa yapın. Neredeyse düz bir rampa ve konsol için minimum dikey sapma ile kanıtlandığı gibi, uç ve numune temas halinde olana kadar tekrarlayın.Belirgin bir uç numunesi etkileşimi olmadığında, AFM kafasını manuel olarak hareket ettirirken prob ucunun numuneye çarpmamasını sağlamak için AFM kafasını rampa boyutunun yaklaşık% 50'sine karşılık gelen bir miktarda indirin. Tekrar rampa, iyi bir eğri gözlenene kadar tekrarlayın. Rampa parametrelerini ayarlayın.Numuneye ve istenen girinti derinliğine bağlı olarak uygun bir rampa boyutu seçin. Ardından, uygun bir rampa hızı seçin. Bir hertz çoğu örnek için iyi bir başlangıç noktasıdır.Ölçümün istenen çözünürlüğünü elde etmek için rampa başına numune sayısını ayarlayın. Z yönünde girinti yaparken probu aynı anda X yönünde hafifçe hareket ettirerek numune ve uç üzerindeki kesme kuvvetlerini azaltmak için X Döndürme ayarını yapın. X Döndürme için, prob tutucunun normal yüzeye göre ofset açısına eşit bir değer kullanın.Ardından, tetiklenmiş veya tetiklenmemiş bir rampa kullanıp kullanmayacağınızı seçin. Tetiklenen bir rampa seçilirse, tetikleme eşiğini numunede istenen girintiyle sonuçlanacak şekilde ayarlayın. Seçilen konumda bir girinti gerçekleştirin.Yazılımda analiz edilecek verileri seçin ve yükleyin. Yay sabiti, DS veya ters optik kol hassasiyeti ve prob ucu yarıçapı için kalibre edilmiş değerlerin yanı sıra numunenin Poisson oranı için bir tahmin girin. Uç ve numune için uygun bir nanogirinti temas mekaniği modeli seçin.Uydurma algoritmasını çalıştırın. FD eğrilerinin doğru şekilde takılıp takılmadığını kontrol edin. Ortalama bir R-karesine yakın birliğe karşılık gelen düşük bir artık hata, seçilen modele iyi bir uyum olduğunu gösterir.İstenirse, eğriyi, model uyumunu ve hesaplanan temas noktalarını görsel olarak incelemek için tek tek eğrileri kontrol edin. Reçineye gömülü bir loblolly çam örneğinde havada ve mezenkimal kök hücre çekirdeğinde fosfat tamponlu salin çözeltisinde elde edilen ideale yakın FD eğrileri gösterilmiştir. Silikon prob ile uç, görüntüleme boyunca başlangıçtaki bozulmamış durumuna göre önemli bir aşınma yaşadı.Sonraki her görüntüde, uç giderek daha yuvarlak hale gelir. Elmas probun aksine, uç yarıçapı kör uç rekonstrüksiyon yönteminin sınırları içinde değişmedi ve elmasın aşırı aşınma direncini vurguladı. Sahte bir 3D tasviri ve bir loblolly çam örneğinin karşılık gelen bir modül haritası ile birden fazla hücreyi kapsayan bir AFM topografya görüntüsü burada gösterilmektedir.Bir AFM görüntüsü elde edilirken oluşturulan AFM türevi modül haritası, görüntülerin merkezine mineral dahil edilmesinin çevredeki organik matristen önemli ölçüde daha zor olduğunu göstermektedir. Prob ucu yarıçapının ve şeklinin, bir Bakken şeyl numunesinin yüksek en boy oranı özelliklerinin görünümü üzerindeki etkisi gösterilmiştir. Mezenkimal kök hücreler ve izole çekirdekler üzerindeki konsol bazlı nanogirinti, elastik modülde istatistiksel bir fark göstermedi.AFM tarafından incelenen kolesterol içeren lipid çift katmanlarının morfolojisi ve mekanik özellikleri burada gösterilmiştir. Temas mekaniği modellerinde uygun prob kalibrasyonu ve uygun rampa parametrelerinin seçimi, doğru nanomekanik ölçümler için esastır. Elastik modüler ölçümlere olanak sağlamanın yanı sıra, AFM konsol bazlı nanogirinti, fizyolojik ilgili koşullar altında fosfolipid çift katmanlarının kopma mukavemetini veya atılım kuvvetini araştırmak için kullanılabilir.AFM konsol bazlı nanogirinti, mezenkimal kök hücre çekirdeklerinin mekanik özellikleri üzerinde egzersizi simüle etmek için yapısal nakavtların, farmasötik tedavilerin ve düşük yoğunluklu titreşimlerin etkilerinin araştırılmasını sağlamıştır.

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

Eşzamanlı Sayısal İletkenlik ve AFM kullanarak Organik Fotovoltaik Malzemeler Mekanik Özellikleri Ölçümleri

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

Mühendislik

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Silikon Doğrudan Gofret Yapıştırma ile Tek tip Nano ölçekli Boşlukların İmalatı

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

PeakForce Kantitatif Nanomekanik Gayrimenkul Eşleme Kullanma Kırmızı Işık fotoreseptör Atomik Kuvvet Mikroskobu

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

Polimer Fırçalar Karşı karışmayan hazırlanması ve Sürtünme Kuvvet Mikroskobu Ölçümleri,

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

Sıvı olarak Genlik modülasyonu Atomik Kuvvet Mikroskobu ile alt nanometre Çözünürlüklü Görüntüleme

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

Silikon Halka Rezonatörü Foton Kaynak Kuantum Girişim ölçümü

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

Kriyo-Odaklı İyon Işını Frezelemeyi Taramalı Elektron Mikroskobu ve Spektroskopi ile Birleştirerek Sıvı-Katı Arayüzlerinin Nano Ölçekli Karakterizasyonu

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

Nano Ölçekli Manyetik Etki Alanlarını Görselleştirmek için Manyetik Kuvvet Mikroskobu Çözünürlüğünü ve Duyarlılığını Optimize Etme

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

Yüksek verimli denetimleri mümkün kılmak için AFMS'de paralel aktif konsol dizileri

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

Yazar Spotlight: Quattro-Paralel Konsol Dizileri ile Aktif Prob Atomik Kuvvet Mikroskobuna Giriş

Yüksek Verimli Büyük Ölçekli Numune Denetimi için Quattro-Paralel Konsol Dizileri ile Aktif Prob Atomik Kuvvet Mikroskobu

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