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

يمكن استخدام مجهر القوة الذرية ، أو المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM ، لتحديد الخواص الميكانيكية النانوية للمواد التي تتراوح بين معامل ، من كيلوباسكال إلى جيجا باسكال في كل من الهواء والسوائل. تتيح المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM التصوير الطبوغرافي المموقع المشترك وقياسات الخصائص الميكانيكية الكمية في الموقع بدقة ودقة نانوية على مجموعة واسعة من المواد والبيئات ذات الصلة. يمكن استخدام المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM للتمييز بين الهياكل أو الأنسجة أو الخلايا السليمة والمرضية التي تظهر خصائص ميكانيكية متباينة.

يتطلب التحديد الدقيق لمنطقة تلامس عينة الطرف والقوة المطبقة أثناء المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي معايرة دقيقة لمسبار AFM ، وهو أمر صعب ولكنه ضروري لقياسات الخصائص الميكانيكية النانوية الكمية. للبدء ، حدد مجهر القوة الذرية المناسب أو مسبار AFM للمسافة البادئة النانوية للعينة المقصودة بناء على الوسيط والمعامل المتوقع وتضاريس العينة وأحجام الميزات ذات الصلة. قم بتحميل المسبار على حامل المسبار وقم بتوصيل حامل المسبار برأس مسح AFM.

حدد وضع المسافة البادئة النانوية المناسب في برنامج AFM الذي يوفر للمستخدم التحكم في المنحدرات الفردية. قم بمحاذاة الليزر على الجزء الخلفي من ناتئ المسبار المقابل لموقع طرف المسبار وفي كاشف حساسية الموضع أو PSD. قم بتوسيط بقعة شعاع الليزر على الجزء الخلفي من الكابولي عن طريق زيادة الجهد الكلي.

بعد ذلك ، قم بتوسيط بقعة شعاع الليزر المنعكسة على PSD عن طريق ضبط إشارات الانحراف الرأسي والأفقي لتكون قريبة من الصفر قدر الإمكان ، وبالتالي توفير أقصى نطاق انحراف يمكن اكتشافه لإنتاج جهد خرج يتناسب مع انحراف الكابولي. قم بمعايرة حساسية الانحراف ، أو DS ، لنظام AFM للمسبار. للقيام بذلك ، قم بإعداد وتنفيذ المسافات البادئة لمعايرة DS على Sapphire لتحقيق نفس انحراف المسبار تقريبا مثل المسافات البادئة للعينة المخطط لها نظرا لأن الإزاحة المقاسة هي دالة لزاوية انحراف الطرف وتصبح غير خطية للانحرافات الكبيرة.

كرر المنحدر خمس مرات. حدد DS بالنانومتر لكل فولت أو حساسية الرافعة الضوئية العكسية والفولت لكل نانومتر من ميل الجزء الخطي من نظام الاتصال بعد نقطة الاتصال الأولية في منحنى إزاحة القوة الناتج ، أو FD. استخدم متوسط القيم لتحقيق أقصى قدر من الدقة.

إذا تجاوز الانحراف المعياري النسبي 1٪ ، فأعد قياس DS ، حيث تكون منحنيات FD القليلة الأولى في بعض الأحيان غير مثالية بسبب الإدخال الأولي لقوى اللصق. إذا لم يتم معايرة ثابت زنبرك الكابولي للمسبار K في المصنع ، فقم بمعايرة ثابت الزنبرك. إذا لم يكن المسبار يحتوي على قياس نصف قطر طرف تمت معايرته في المصنع ، فقم بقياس نصف قطر الطرف الفعال R.في حالة استخدام طريقة إعادة بناء الطرف الأعمى ، قم بتصوير توصيف الطرف أو عينة الخشونة باستخدام معدل مسح بطيء ومكاسب عالية في ردود الفعل للمساعدة في تحسين تتبع الميزات الحادة للغاية.

اختر حجم الصورة وكثافة البكسل بناء على نصف قطر الطرف المتوقع. بعد ذلك ، استخدم برنامج تحليل الصور AFM لنمذجة طرف المسبار وتقدير نصف قطره النهائي وقطر الطرف الفعال عند عمق المسافة البادئة المتوقعة للعينة. عند الانتهاء من معايرة المسبار ، أدخل قيم DS و K و R في البرنامج.

وأخيرا، أدخل تقديرا لنسبة بواسون للعينة لتحويل معامل الاختزال المقاس إلى معامل العينة الفعلي. في حالة استخدام نموذج ميكانيكا اتصال مخروطي أو مخروطي الشكل بناء على شكل الطرف وعمق المسافة البادئة ، فإن إدخال نصف زاوية الطرف ضروري. تنقل في العينة تحت رأس AFM وشارك في المنطقة التي تريدها موضع الاهتمام.

راقب إشارة الانحراف الرأسي أو قم بإجراء منحدر أولي صغير للتحقق من أن الطرف والعينة على اتصال. اضبط موضع رأس AFM لأعلى قليلا وانحنى مرة أخرى. كرر حتى يصبح الطرف والعينة بعيدين عن الاتصال ، كما يتضح من منحدر مسطح تقريبا والحد الأدنى من الانحراف الرأسي للناتئ.

بمجرد عدم وجود تفاعل واضح لعينة الطرف ، قم بخفض رأس AFM بمقدار يعادل حوالي 50٪ من حجم المنحدر لضمان عدم اصطدام طرف المسبار بالعينة أثناء تحريك رأس AFM يدويا. منحدر مرة أخرى ، كرر حتى يتم ملاحظة منحنى جيد. اضبط معلمات المنحدر.

حدد حجم منحدر مناسب حسب العينة وعمق المسافة البادئة المطلوب. ثم حدد معدل منحدر مناسب. هيرتز واحد هو نقطة انطلاق جيدة لمعظم العينات.

اضبط عدد العينات لكل منحدر لتحقيق الدقة المطلوبة للقياس. اضبط X Rotate لتقليل قوى القص على العينة والطرف عن طريق تحريك المسبار قليلا في نفس الوقت في الاتجاه X أثناء المسافة البادئة في الاتجاه Z. استخدم قيمة ل X Rotate تساوي زاوية إزاحة حامل المسبار بالنسبة إلى السطح الطبيعي.

بعد ذلك ، اختر ما إذا كنت تريد استخدام منحدر تم تشغيله أو لم يتم تشغيله. إذا تم اختيار منحدر تم تشغيله، فاضبط عتبة الزناد لينتج عنها المسافة البادئة المطلوبة في العينة. قم بإجراء مسافة بادئة في الموقع المختار.

حدد وتحميل البيانات المراد تحليلها في البرنامج. قيم معايرة الإدخال لثابت الزنبرك ، DS ، أو حساسية الذراع الضوئية العكسية ، ونصف قطر طرف المسبار ، جنبا إلى جنب مع تقدير لنسبة بواسون للعينة. اختر نموذج ميكانيكا ملامسة المسافة البادئة النانوية المناسب للطرف والعينة.

قم بتشغيل خوارزمية التركيب. تحقق من التركيب المناسب لمنحنيات FD. يشير الخطأ المتبقي المنخفض المقابل لمتوسط R تربيع بالقرب من الوحدة إلى ملاءمة جيدة للنموذج المختار.

إذا رغبت في ذلك ، قم بفحص المنحنيات الفردية بشكل موضعي لفحص المنحنى بصريا وملاءمة النموذج ونقاط الاتصال المحسوبة. يتم عرض منحنيات FD شبه المثالية التي تم الحصول عليها في الهواء على عينة صنوبر لوبلولي مدمجة بالراتنج وفي محلول ملحي مخزن بالفوسفات على نواة الخلايا الجذعية الوسيطة. مع مسبار السيليكون ، تعرض الطرف لتآكل كبير بالنسبة لحالته الأصلية الأولية طوال فترة التصوير.

مع كل صورة لاحقة ، يصبح الطرف أكثر تقريبا بشكل تدريجي. على عكس مسبار الماس ، لم يتغير نصف قطر الطرف ضمن حدود طريقة إعادة بناء الطرف الأعمى ، مما يسلط الضوء على مقاومة التآكل الشديدة للماس . صورة تضاريس AFM تغطي خلايا متعددة مع تصوير 3D زائف وخريطة معامل المقابلة لعينة صنوبر loblolly معروضة هنا.

تظهر خريطة المعامل المشتقة من AFM التي تم إنشاؤها أثناء الحصول على صورة AFM أن إدراج المعادن في وسط الصور أصعب بكثير من المصفوفة العضوية المحيطة. يظهر تأثير نصف قطر طرف المسبار وشكله على ظهور ميزات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية لعينة الصخر الزيتي Bakken. لم تظهر المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي على الخلايا الجذعية الوسيطة والنوى المعزولة أي فرق إحصائي في معامل المرونة.

يتم توضيح التشكل والخصائص الميكانيكية للطبقات الثنائية الدهنية المحتوية على الكوليسترول التي درستها AFM هنا. تعد معايرة المسبار المناسبة واختيار معلمات المنحدر المناسبة في نماذج ميكانيكا الاتصال ضرورية لإجراء قياسات نانوية ميكانيكية دقيقة. بالإضافة إلى تمكين القياسات المعيارية المرنة ، يمكن استخدام المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM للتحقق من قوة التمزق أو قوة اختراق طبقات الفوسفوليبيد المزدوجة في ظل الظروف الفسيولوجية ذات الصلة.

مكنت المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM من التحقيق في آثار الضربات القاضية الهيكلية ، والعلاجات الصيدلانية ، والاهتزازات منخفضة الكثافة لمحاكاة التمرين على الخواص الميكانيكية لنوى الخلايا الجذعية الوسيطة.