La cuantificación del área de contacto y la fuerza aplicada por la punta de una sonda de microscopio de fuerza atómica (AFM) a una superficie de muestra permite la determinación de propiedades mecánicas a nanoescala. Se discuten las mejores prácticas para implementar la nanoindentación basada en voladizo AFM en aire o fluido en muestras blandas y duras para medir el módulo elástico u otras propiedades nanomecánicas.
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Artículo de método
Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanical Property Measurements at the Nanoscale in Air and Fluid
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Resumen
Resumen
Un microscopio de fuerza atómica (AFM) mide fundamentalmente la interacción entre la punta de una sonda AFM a nanoescala y la superficie de la muestra. Si se puede cuantificar la fuerza aplicada por la punta de la sonda y su área de contacto con la muestra, es posible determinar las propiedades mecánicas a nanoescala (por ejemplo, elástico o módulo de Young) de la superficie que se está sondeando. Aquí se proporciona un procedimiento detallado para realizar experimentos cuantitativos de nanoindentación basados en voladizo AFM, con ejemplos representativos de cómo se puede aplicar la técnica para determinar los módulos elásticos de una amplia variedad de tipos de muestras, que van desde kPa hasta GPa. Estos incluyen células madre mesenquimales vivas (MSC) y núcleos en tampón fisiológico, secciones transversales de pino loblolly deshidratado incrustado en resina y esquistos Bakken de composición variable.
Además, la nanoindentación basada en voladizo AFM se utiliza para probar la resistencia a la ruptura (es decir, la fuerza de ruptura) de las bicapas de fosfolípidos. Se discuten consideraciones prácticas importantes como la elección y el desarrollo del método, la selección y calibración de la sonda, la identificación de la región de interés, la heterogeneidad de la muestra, el tamaño de la característica y la relación de aspecto, el desgaste de la punta, la rugosidad de la superficie y el análisis de datos y las estadísticas de medición para ayudar a la implementación adecuada de la técnica. Finalmente, se demuestra la colocalización de mapas nanomecánicos derivados de AFM con técnicas de microscopía electrónica que proporcionan información adicional sobre la composición elemental.
Introducción
Comprender las propiedades mecánicas de los materiales es una de las tareas más fundamentales y esenciales en ingeniería. Para el análisis de las propiedades de los materiales a granel, existen numerosos métodos disponibles para caracterizar las propiedades mecánicas de los sistemas de materiales, incluidas las pruebas de tracción1, las pruebas de compresión2 y las pruebas de flexión (flexión) de tres o cuatro puntos3. Si bien estas pruebas a microescala pueden proporcionar información invaluable sobre las propiedades del material a granel, generalmente se realizan hasta el fracaso y, por lo tanto....
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Protocolo
NOTA: Debido a la amplia variedad de AFM disponibles comercialmente y la diversidad de tipos de muestras y aplicaciones que existen para la nanoindentación basada en voladizo, el protocolo que sigue está diseñado intencionalmente para ser de naturaleza relativamente general, centrándose en los pasos compartidos necesarios para todos los experimentos de nanoindentación basados en voladizo, independientemente del instrumento o fabricante. Debido a esto, los autores asumen que el lector posee al menos una familiaridad básica con el funcionamiento del instrumento específico elegido para realizar la nanoindentación basada en voladizo. Sin embargo, además del protocolo gene....
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Resultados
Curvas fuerza-desplazamiento
La Figura 7 muestra curvas F-D representativas y casi ideales obtenidas de experimentos de nanoindentación realizados en aire en muestras de pino loblolly incrustadas en resina (Figura 7A) y en fluido (solución salina tamponada con fosfato [PBS]) en núcleos de células madre mesenquimales (MSC) (Figura 7B). El uso de cualquier modelo mecánico de contacto se basa en la determinación pre.......
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Discusión
Preparación de muestras
Para la nanoindentación en el aire, los métodos de preparación comunes incluyen criosección (por ejemplo, muestras de tejido), esmerilado y / o pulido seguido de ultramicrotoming (por ejemplo, muestras biológicas incrustadas en resina), molienda de iones o preparación de haz de iones enfocado (por ejemplo, muestras de dureza semiconductora, porosa o mixta no susceptibles de pulido), pulido mecánico o electroquímico (por ejemplo, aleaciones metálicas) o deposición de película de.......
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Divulgaciones
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Agradecimientos
Todos los experimentos de AFM se realizaron en el Laboratorio de Ciencias de la Superficie de la Universidad Estatal de Boise (SSL). La caracterización SEM se realizó en el Centro Estatal de Caracterización de Materiales de Boise (BSCMC). La investigación reportada en esta publicación con respecto a las materias primas de biocombustibles fue apoyada en parte por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, la Oficina de Tecnologías de Bioenergía como parte del Consorcio de Interfaz de Conversión de Materias Primas (FCIC), y bajo el Contrato de la Oficina de Operaciones de Idaho del DOE DE-AC07-051ID14517. L....
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Microscopio de fuerza atómica | Bruker | Dimension Icon | Utiliza el software de control de nanoscopios, que incluye los espacios de trabajo experimentales PeakForce Quantitative Nanomechanical Mapping (PF-QNM), FastForce Volume (FFV) y Point-and-Shoot Ramping |
| AtomicJ | American Institute of Physics | https://doi.org/10.1063/1.4881683 | Paquete de software de análisis de curva de fuerza basado en Java flexible, potente y gratuito de código abierto. Admite numerosos modelos mecánicos de contacto, como Hertz, Sneddon DMT, JKR, Maugis y cono o pirámide (incluidos romos y truncados). También incluye una variedad de métodos de estimación de puntos de contacto iniciales para elegir. Admite el procesamiento por lotes de datos y el posterior análisis estadístico (por ejemplo, promedios, desviaciones estándar, histogramas, bondad de ajuste, etc.). La cita bibliográfica es: P. Hermanowicz, M. Sarna, K. Burda y H. Gabry , “ AtomicJ: Un software de código abierto para el análisis de curvas de fuerza" Rev. Sci. Instrum. 85: 063703 (2014), https://doi.org/10.1063/1.4881683 |
| Solución tampón (PBS) | Fisher Chemical (NaCl), Sigma Aldrich (KCl), Fisher BioReagents (Na2HPO4 y KH2PO4) | S271 (>99% de pureza NaCl), P9541 (>99% de pureza KCl), BP332 (>99% de pureza Na2HPO4), BP362 (>99% de pureza KH2PO4) | La solución salina tamponada con fosfato (PBS) se preparó en el laboratorio como una solución acuosa compuesta por 137 mM de NaCl, 2,7 mM de KCl, 10 mM de Na2HPO4 y 1,8 mM de KH2PO4 disueltos en agua ultrapura. Los reactivos se midieron utilizando una balanza analítica y la cristalería se limpió con agua y jabón, seguido de un autoclave inmediatamente antes de su uso. |
| Sonda | |||
| AFM con punta de diamante | Bruker | PDNISP | Esquina cúbica premontada y calibrada en fábrica Sonda AFM de punta de diamante (E = 1140 GPa) (nominal R = 40 nm) con voladizo de acero inoxidable (nominal k = 225 N/m, f0 = 50 kHz). La constante de resorte se mide en la fábrica (k = 256 N/m para la sonda, Serial #13435414, utilizada aquí) y los datos de calibración (incluidas las imágenes AFM de las indentaciones que muestran la geometría de la sonda) se proporcionan con la sonda. |
| Hoja ultramicroscópica de diamante | Diatome | Ultra 35° | 2,1 mm de ancho. También se utilizó una hoja de vidrio estándar para el corte inicial en bruto de la superficie de la muestra antes de la transición a la hoja de diamante para la preparación final de la superficie |
| Epoxi | Gorilla Glue | 26853-31-6 | La resina epoxi y el endurecedor se mezclaron en una proporción de 1:1, se colocó una pequeña gota en un disco de muestra de acero inoxidable (Ted Pella) y se unió mica moscovita de grado V1 (Ted Pella) para crear una superficie atómicamente plana para la preparación de membranas de fosfolípidos. |
| Resina | |||
| LR, grado medio (catalizado) | Electrónica Microscopy Sciences | 14381 | Frasco de 500 mL, lote #150629 |
| Células madre mesenquimales (MSCs) | N/A | N/A | Las MSC para estudios nanomecánicos fueron células primarias recolectadas de ratones machos C57BL/6 de 8-10 semanas de edad, como se describe en Goelzer, M. et al. "Lamin A/C Is Dispensable to Mechanical Repression of Adipogenesis" Int J Mol Sci 22: 6580 (2021) doi:10.3390/ijms22126580 y Peister, A. et al. "Las células madre adultas de la médula ósea (MSC) aisladas de diferentes cepas de ratones endogámicos varían en epítopos de superficie, tasas de proliferación y potencial de diferenciación" Blood 103: 1662-1668 (2004), doi:10.1182/blood-2003-09-3070. |
| Patrones de módulo | Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | Used HOPG (E = 18 GPa) y PS (E = 2.7 GPa). También contiene 2x PDMS (Tack 0, E = 2,5 MPa; Tachuela 4, E = 3,5 MPa), PS-LDPE (E = 2,0/0,2 GPa), sílice fundida (E = 72,9 GPa), zafiro (E - 345 GPa) y muestra de caracterización de punta (rugosidad del titanio). Todas las muestras vienen premontadas en un disco de acero de 12 mm de diámetro (disco de muestra). |
| Mica moscovita | Ted Pella | 50-12 | 12 mm de diámetro, mica moscovita de grado V1 |
| Nanscope Analysis | Bruker | Versión 2.0 | Paquete gratuito de software de procesamiento y análisis de imágenes AFM, pero diseñado para, y propietario/limitado a los AFM Bruker; una funcionalidad similar está disponible en paquetes de software de análisis y procesamiento de imágenes AFM gratuitos e independientes de la plataforma, como Gwyddion, WSxM y otros. Tiene capacidades incorporadas para el análisis de curvas de fuerza, pero AtomicJ es más flexible/completo (por ejemplo, más modelos de mecánica de contacto incorporados para elegir, análisis estadístico de los resultados de ajuste de curvas de fuerza, etc.) para el análisis de curvas de fuerza y maneja el procesamiento por lotes de curvas de fuerza. |
| Fosfolípidos: POPC, Colesterol (ovino) | Avanti Polar Lipids | POPC: CAS # 26853-31-6, Colesterol: CAS # 57-88-5 | El lípido POPC disuelto en cloroformo (25 mg/mL) se obtuvo del proveedor y se utilizó sin más purificación. El colesterol en polvo del mismo proveedor se disolvió en cloroformo (20 mg/mL). |
| Soporte de sonda (fluido, bicapas lipídicas) | Bruker | MTFML-V2 | Específico para el AFM particular utilizado; MTFML-V2 es un soporte de sonda de vidrio para escanear en fluido en un AFM multimodo. |
| Soporte de sonda (fluido, MSC) | Escáner Bruker | FastScan Bio Z | Se utiliza con el cabezal Dimension FastScan (escáneres de flexión XY). Número de serie MXYPOM5-1B154. |
| Soporte de sonda (estándar, ambiente) | Bruker | DAFMCH | Específico para el AFM particular utilizado; DAFMCH es el soporte de sonda de modo de contacto y roscado estándar para el Dimension Icon AFM, adecuado para nanoindentación (PF-QNM, FFV y rampa de apuntar y disparar) |
| Sample Puck | Ted Pella | 16218 | El número de producto es para disco de muestra de acero inoxidable de 15 mm de diámetro. También disponible en diámetros de 6 mm, 10 mm, 12 mm y 20 mm en https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459 |
| Sustrato de zafiro | Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | Superficie extremadamente dura (E = 345 GPa) para medir la sensibilidad a la deflexión de las sondas (desea que toda la deflexión provenga de la sonda, no del sustrato). Parte del kit de estándares PF-QNM/módulo. |
| Microscopio electrónico de barrido | Hitachi | S-3400N-II | ubicado en el estado de Boise. Se utiliza para realizar SEM/EDS colocalizado en todas las muestras, excepto en las fabricadas aditivamente (AM) Ti-6Al-4V. |
| Sondas de silicona AFM (estándar) | Sonda de silicona NuNano | Scout 350 | Modo de roscado estándar con recubrimiento trasero de aluminio reflectante; k = 42 N/m (nominal), f0 = 350 kHz. Nominal R = 5 nm. También disponible sin recubrimiento o con revestimiento trasero dorado reflectante. Las sondas con especificaciones similares están disponibles en otros fabricantes (por ejemplo, Bruker TESPA-V2). |
| Sondas AFM de silicio (rígidas) | Bruker | RTESPA-525, RTESPA-525-30 | Sondas de silicona grabadas con punta girada con recubrimiento trasero de aluminio reflectante; k = 200 N/m (nominal), f0 = 525 kHz. Nominal R = 8 nm para RTESPA-525, R = 30 nm para RTESPA-525-30. La constante de resorte de cada RTESPA-525-30 se mide individualmente en fábrica a través de vibrometría láser Doppler y se suministra con la sonda. |
| Papel de grano de carburo de silicona (discos abrasivos) | Allied | 50-10005 | |
| Sondas AFM de nitruro de silicio de grano 120 (punta hemisférica blanda de radio grande) | Bruker | MLCT-SPH-5UM, MLCT-SPH-5UM-DC | También MLCT-SPH-1UM-DC. Nueva línea de productos de sondas de punta hemisférica (en el extremo de un eje cilíndrico de 23 mm de largo><><) calibradas de fábrica (en el extremo de un eje cilíndrico de 23 mm de largo) calibradas en fábrica (radio de sonda y constantes de resorte de todos los voladizos). DC = recubrimiento de compensación de deriva. 6 voladizos/sonda (A-F). Constantes nominales del resorte: 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. |
| Sondas AFM de nitruro de silicio (blanda, punta afilada media) | Bruker | DNP | 4 voladizos/sonda (A-d). Constantes nominales del resorte: A, k = 0,35 N/m; B, k = 0,12 N/m; C, k = 0,24 N/m; D, k = 0,06 N/m. Radios nominales de curvatura, R = 10 nm. |
| Sondas AFM de nitruro de silicio (punta blanda y afilada) | Bruker | ScanAsyst-Air | Valores nominales: frecuencia de resonancia, f0 = 70 kHz; constante de resorte, k = 0,4 N/m; radio de curvatura, R = 2 nm. Diseñado para la obtención de imágenes AFM basadas en curvas de fuerza. |
| Superglue | Henkel | Loctite 495 | Adhesivo instantáneo a base de cianoacrilato. Muchos productos más o menos equivalentes están disponibles. |
| Bomba de jeringa | New Era Pump Systems | NE1000US | Sistema de bomba de jeringa de un canal con capacidad de infusión y extracción |
| Estándar de caracterización de puntas | Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | Estándar de rugosidad de titanio (Ti). Parte del kit de estándares PF-QNM/módulo. |
| Nitrógeno de ultra alta pureza (UHP N2), 99.999% | T de Norco | SPG Tuhpni - T | T de nitrógeno de ultra alta pureza (99.999%) para el secado de muestras |
| Ultramicrótomo | Leica | EM UC6 | Equipado con una cuchilla de vidrio (estándar, para la preparación inicial de muestras) y una hoja de diamante (para la preparación final) |
| Agua ultrapura | Thermo Fisher | Barnstead Nanopure Modelo 7146 | El modelo ha sido descontinuado, pero hay productos equivalentes disponibles. Produce ≥ 18,2 MΩ*cm de agua ultrapura con 1-5 ppb de TOC (contenido orgánico total), según el monitoreo UV en línea. Incluye 0.2 y micro; m filtro de partículas, columnas de intercambio iónico y cámara de oxidación UV. |
| Amoladora de velocidad variable | Buehler | EcoMet 3000 | Se utiliza con papeles de grano de carburo de silicio durante el pulido manual. |
| Mesa de aislamiento de vibraciones (activa) | Herzan | TS-140 | Se utiliza con Bruker MultiMode AFM. Se asienta sobre una mesa de aislamiento de vibraciones TMC 65-531. Bruker Dimension Icon AFM utiliza un aislamiento de vibraciones estrictamente pasivo (proviene del fabricante con campana acústica personalizada, mesa de aire y losa de granito). |
| Mesa de aislamiento de vibraciones (pasiva) | TMC | 65-531 Mesa de | aislamiento de vibraciones de 35" x 30" con amortiguación de aire opcional (desactivada). Se utiliza con Bruker MultiMode AFM. La mesa de control de vibración activa Herzan TS-140 "Table Stable" se encuentra en la parte superior. |
Referencias
- Hart, E. W. Theory of the tensile test. Acta Metallurgica. 15 (2), 351-355 (1967).
- Fell, J. T., Newton, J. M. Determination of tablet strength by the diametral-compression test. Journal of Pharmaceutical Sciences. 59 (5), 688-691 (1970).
- Babiak, M., Gaff, M.,....
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Reimpresiones y permisos
