Artículo de método

Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanical Property Measurements at the Nanoscale in Air and Fluid

DOI:

10.3791/64497

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2 de diciembre de 2022

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1Micron School of Materials Science & Engineering, Boise State University, 2Department of Mechanical & Biomedical Engineering, Boise State University, 3Department of Physics, Boise State University, 4Energy and Environmental Science and Technology, Idaho National Laboratory, 5Science and Technology, Idaho National Laboratory, 6Harold Hamm School of Geology & Geological Engineering, University of North Dakota, 7Biomolecular Sciences Graduate Program, Boise State University, 8Center for Advanced Energy Studies

En este artículo

Resumen

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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.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

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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, son destructivas. Además, carecen de la resolución espacial necesaria para investigar con precisión las propiedades a micro y nanoescala de muchos sistemas de materiales que son de interés hoy en día, como películas delgadas, materiales biológicos y nanocompuestos. Para comenzar a abordar algunos de los problemas con las pruebas mecánicas a gran escala, principalmente su naturaleza destructiva, se adoptaron pruebas de microdureza de la mineralogía. La dureza es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica bajo condiciones específicas. En general, las pruebas de microdureza utilizan una sonda rígida, generalmente hecha de acero endurecido o diamante, para sangrar en un material. La profundidad de indentación resultante y / o el área se pueden usar para determinar la dureza. Se han desarrollado varios métodos, incluyendo la dureza Vickers4, Knoop5 y Brinell6 ; Cada uno proporciona una medida de la dureza del material a microescala, pero bajo diferentes condiciones y definiciones, y como tal solo produce datos que se pueden comparar con las pruebas realizadas en las mismas condiciones.

La nanoindentación instrumentada se desarrolló para mejorar los valores relativos obtenidos a través de los diversos métodos de prueba de microdureza, mejorar la resolución espacial posible para el análisis de propiedades mecánicas y permitir el análisis de películas delgadas. Es importante destacar que, al utilizar el método desarrollado por primera vez por Oliver y Pharr7, el elástico o módulo de Young, E, de un material de muestra se puede determinar a través de nanoindentación instrumentada. Además, al emplear una sonda nanoindentadora piramidal de tres lados Berkovich (cuya función ideal del área de punta coincide con la de la sonda piramidal de cuatro lados Vickers)8, se puede realizar una comparación directa entre las mediciones de dureza a nanoescala y microescala más tradicionales. Con el crecimiento de la popularidad del AFM, la nanoindentación basada en voladizo AFM también comenzó a recibir atención, particularmente para medir las propiedades mecánicas de materiales más blandos. Como resultado, como se muestra esquemáticamente en la Figura 1, las dos técnicas más comúnmente empleadas hoy en día para interrogar y cuantificar las propiedades mecánicas a nanoescala son la nanoindentación instrumentada (Figura 1A) y la nanoindentación basada en voladizo AFM (Figura 1B)9, la última de las cuales es el foco de este trabajo.

figure-introduction-1
Figura 1: Comparación de sistemas de nanoindentación instrumentados y basados en voladizo AFM. Diagramas esquemáticos que representan sistemas típicos para realizar (A) nanoindentación instrumentada y (B) nanoindentación basada en voladizo AFM. Esta figura fue modificada de Qian et al.51. Abreviatura: AFM = microscopía de fuerza atómica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tanto la nanoindentación instrumentada como la basada en voladizo AFM emplean una sonda rígida para deformar una superficie de muestra de interés y monitorear la fuerza y el desplazamiento resultantes en función del tiempo. Normalmente, el perfil de desplazamiento de carga deseado (es decir, fuerza) o (Z-piezo) es especificado por el usuario a través de la interfaz del software y controlado directamente por el instrumento, mientras que el otro parámetro se mide. La propiedad mecánica que se obtiene con mayor frecuencia de los experimentos de nanoindentación es el módulo elástico (E), también conocido como módulo de Young, que tiene unidades de presión. El módulo elástico de un material es una propiedad fundamental relacionada con la rigidez de enlace y se define como la relación entre la tensión de tracción o compresión (σ, la fuerza aplicada por unidad de área) y la deformación axial (ε, la deformación proporcional a lo largo del eje de indentación) durante la deformación elástica (es decir, reversible o temporal) antes del inicio de la deformación plástica (ecuación [1]):

figure-introduction-2(1)

Cabe señalar que, debido a que muchos materiales (especialmente los tejidos biológicos) son de hecho viscoelásticos, en realidad, el módulo (dinámico o complejo) consiste en componentes elásticos (almacenamiento, en fase) y viscosos (pérdida, fuera de fase). En la práctica real, lo que se mide en un experimento de nanoindentación es el módulo reducido, E *, que está relacionado con el verdadero módulo de interés de la muestra, E, como se muestra en la ecuación (2):

figure-introduction-3(2)

Donde la punta E y la punta ν son el módulo elástico y la relación de Poisson, respectivamente, de la punta nanopenetradora, y ν es la relación de Poisson estimada de la muestra. La relación de Poisson es la relación negativa de la deformación transversal a axial, y por lo tanto indica el grado de elongación transversal de una muestra al ser sometida a deformación axial (por ejemplo, durante la carga de nanoindentación), como se muestra en la ecuación (3):

figure-introduction-4(3)

La conversión de módulo reducido a módulo real es necesaria porque a) parte de la deformación axial impartida por la punta del penetrador puede convertirse en deformación transversal (es decir, la muestra puede deformarse por expansión o contracción perpendicular a la dirección de carga), y b) la punta del penetrador no es infinitamente dura y, por lo tanto, el acto de sangrar la muestra da como resultado una (pequeña) cantidad de deformación de la punta. Tenga en cuenta que en el caso de que la punta E >> E (es decir, la punta penetradora es mucho más dura que la muestra, lo que a menudo es cierto cuando se usa una sonda de diamante), la relación entre el módulo de muestra reducido y real se simplifica enormemente a E ≈ E * (1 - v2). Mientras que la nanoindentación instrumentada es superior en términos de caracterización precisa de la fuerza y rango dinámico, la nanoindentación basada en voladizo AFM es más rápida, proporciona órdenes de magnitud mayor fuerza y sensibilidad al desplazamiento, permite imágenes de mayor resolución y una mejor localización de la sangría, y puede sondear simultáneamente las propiedades magnéticas y eléctricas a nanoescala9. En particular, la nanoindentación basada en voladizo AFM es superior para la cuantificación de propiedades mecánicas a nanoescala de materiales blandos (por ejemplo, polímeros, geles, bicapas lipídicas y células u otros materiales biológicos), películas extremadamente delgadas (sub-μm) (donde los efectos de sustrato pueden entrar en juego dependiendo de la profundidad de indentación)10,11, y materiales bidimensionales suspendidos (2D)12,13,14 como el grafeno 15,16, mica17, nitruro de boro hexagonal (h-BN)18, o dicalcogenuros de metales de transición (TMDC; por ejemplo, MoS2)19. Esto se debe a su exquisita sensibilidad de fuerza (sub-nN) y desplazamiento (sub-nm), que es importante para determinar con precisión el punto de contacto inicial y permanecer dentro de la región de deformación elástica.

En la nanoindentación basada en voladizo AFM, el desplazamiento de una sonda AFM hacia la superficie de la muestra es accionado por un elemento piezoeléctrico calibrado (Figura 1B), con el voladizo flexible eventualmente doblado debido a la fuerza resistiva experimentada al contacto con la superficie de la muestra. Esta flexión o desviación del voladizo generalmente se monitorea reflejando un láser desde la parte posterior del voladizo y en un fotodetector (detector sensible a la posición [PSD]). Junto con el conocimiento de la rigidez en voladizo (en nN/nm) y la sensibilidad a la deflexión (en nm/V), es posible convertir esta deflexión en voladizo medida (en V) en la fuerza (en nN) aplicada a la muestra. Después del contacto, la diferencia entre el movimiento Z-piezo y la deflexión en voladizo produce la profundidad de indentación de la muestra. Combinado con el conocimiento de la función del área de punta, esto permite calcular el área de contacto punta-muestra. La pendiente de las porciones en contacto de las curvas de fuerza-distancia o fuerza-desplazamiento (F-D) resultantes se puede ajustar utilizando un modelo mecánico de contacto apropiado (consulte la sección Análisis de datos de la discusión) para determinar las propiedades nanomecánicas de la muestra. Si bien la nanoindentación basada en voladizo AFM posee algunas ventajas distintivas sobre la nanoindentación instrumentada como se describió anteriormente, también presenta varios desafíos prácticos de implementación, como la calibración, el desgaste de la punta y el análisis de datos, que se discutirán aquí. Otra desventaja potencial de la nanoindentación basada en voladizo AFM es la suposición de elasticidad lineal, ya que el radio de contacto y las profundidades de hendidura deben ser mucho más pequeñas que el radio del penetrador, lo que puede ser difícil de lograr cuando se trabaja con sondas AFM a nanoescala y / o muestras que exhiben una rugosidad superficial significativa.

Tradicionalmente, la nanoindentación se ha limitado a ubicaciones individuales o pequeños experimentos de indentación de cuadrícula, en los que se selecciona una ubicación deseada (es decir, región de interés [ROI]) y se realiza una sola sangría controlada, múltiples sangrías en una sola ubicación separadas por un tiempo de espera y / o una cuadrícula gruesa de sangrías a una velocidad del orden de Hz. Sin embargo, los avances recientes en AFM permiten la adquisición simultánea de propiedades mecánicas y topografía mediante la utilización de modos de imagen basados en curvas de fuerza de alta velocidad (a los que se refieren varios nombres comerciales según el fabricante del sistema), en los que las curvas de fuerza se realizan a una velocidad de kHz bajo control de carga, con la fuerza máxima de la muestra de punta utilizada como punto de ajuste de imagen. También se han desarrollado métodos de apuntar y disparar, lo que permite la adquisición de una imagen de topografía AFM seguida de una posterior nanoindentación selectiva en puntos de interés dentro de la imagen, lo que permite un control espacial a nanoescala sobre la ubicación de la nanoindentación. Si bien no es el enfoque principal de este trabajo, en los resultados representativos se presentan ejemplos de aplicaciones específicas seleccionadas tanto de imágenes basadas en curvas de fuerza como de nanoindentación basada en voladizos de apuntar y disparar, y se pueden usar junto con el protocolo descrito a continuación si está disponible en la plataforma AFM particular empleada. Específicamente, este trabajo describe un protocolo generalizado para la implementación práctica de la nanoindentación basada en voladizo AFM en cualquier sistema AFM capaz y proporciona cuatro ejemplos de casos de uso (dos en aire, dos en fluido) de la técnica, incluidos resultados representativos y una discusión en profundidad de los matices, desafíos y consideraciones importantes para emplear con éxito la técnica.

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Protocolo

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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 general descrito a continuación, se incluye como material suplementario un procedimiento operativo estándar (POE) detallado paso a paso específico para el AFM y el software utilizado aquí (consulte la Tabla de materiales), centrado en la nanoindentación de muestras en fluidos basada en voladizo.

1. Preparación de la muestra y configuración del instrumento

  1. Prepare la muestra de una manera que minimice tanto la rugosidad de la superficie (idealmente a escala nanométrica, ~ 10 veces menos que la profundidad de hendidura prevista) como la contaminación sin alterar las propiedades mecánicas de las áreas de interés.
  2. Seleccione una sonda AFM adecuada para la nanoindentación de la muestra prevista en función del medio (es decir, aire o fluido), el módulo esperado, la topografía de la muestra y los tamaños de características relevantes (consulte las consideraciones de selección de la sonda en la discusión). Cargue la sonda en el soporte de la sonda (consulte Tabla de materiales) y fije el soporte de la sonda al cabezal de exploración AFM.
  3. Seleccione un modo de nanoindentación apropiado en el software AFM que permita al usuario controlar rampas individuales (es decir, curvas de fuerza-desplazamiento).
    NOTA: El modo específico diferirá entre los diferentes fabricantes de AFM e instrumentos individuales (consulte el POE proporcionado en el Material complementario para obtener más detalles y un ejemplo específico).
  4. Alinee el láser en la parte posterior del voladizo de la sonda, frente a la ubicación de la punta de la sonda y en el PSD.
    NOTA: Consulte el ejemplo de aplicación de células madre mesenquimales para obtener más detalles sobre consideraciones importantes al alinear el láser y realizar nanoindentaciones en fluidos, en particular, evitando desechos flotantes y / o burbujas de aire, que pueden dispersar o refractar el haz. La óptica AFM también puede necesitar ser ajustada para compensar el índice de refracción del fluido y para evitar chocar la sonda al atacar la superficie.
    1. Centra el punto del rayo láser en la parte posterior del voladizo maximizando la suma de voltaje (Figura 2A).
    2. Centrar el punto del rayo láser reflejado en el PSD ajustando las señales de deflexión X e Y (es decir, horizontal y vertical) para que estén lo más cerca posible de cero (Figura 2A), proporcionando así el rango de deflexión máximo detectable para producir un voltaje de salida proporcional a la deflexión en voladizo.
  5. Si no está seguro de la topografía de la muestra, la rugosidad de la superficie y/o la densidad de la superficie (en el caso de escamas o partículas), realice un escaneo de topografía AFM antes de cualquier experimento de nanoindentación para confirmar la idoneidad de la muestra, como se describe en el paso 1.1 y la parte de preparación de la muestra de la discusión.

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Figura 2: Monitor detector sensible a la posición. (A) Pantalla PSD que indica un láser correctamente alineado que se refleja en la parte posterior del voladizo de la sonda y en el centro de la PSD (como lo demuestra el voltaje de suma grande y la falta de deflexión vertical u horizontal) antes de acoplarse a la superficie de la muestra (es decir, la sonda fuera de contacto con la muestra). (B) El voltaje de deflexión vertical aumenta cuando se desvía el voladizo (por ejemplo, cuando la sonda entra en contacto con la muestra). Abreviaturas: PSD = detector sensible a la posición; VERT = vertical; HORIZ = horizontal; AMPL = amplitud; n/d = no aplicable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Calibración de la sonda

NOTA: Se necesitan tres valores para cuantificar las propiedades mecánicas de una muestra utilizando los datos de la curva F-D recopilados durante la nanoindentación basada en voladizo: la sensibilidad a la deflexión (DS ) del sistema en voladizo/PSD (nm/V o V/nm), la constante de resorte en voladizo (nN/nm) y el área de contacto de la sonda, a menudo expresada en términos del radio efectivo de la punta de la sonda (nm) a una profundidad de hendidura dada menor que el radio de la sonda en el caso de una sonda esférica Propina.

  1. Calibre el DS del sistema de sonda/AFM mediante rampas sobre un material extremadamente duro (por ejemplo, zafiro, E = 345 GPa) para minimizar la deformación de la muestra y, por lo tanto, el movimiento Z medido del piezo después del inicio del contacto punta-muestra se convierte únicamente en deflexión en voladizo.
    NOTA: La calibración DS debe realizarse en las mismas condiciones que los experimentos de nanoindentación planificados (es decir, temperatura, medio, etc.) para reflejar con precisión el DS del sistema durante los experimentos. Puede ser necesario un período de calentamiento láser largo (30 minutos) para obtener la máxima precisión y permitir que se alcance el equilibrio térmico y se establezca una potencia de salida láser estable y una estabilidad de apuntamiento. El DS debe volver a medirse cada vez que se realinea el láser, incluso si se utiliza la misma sonda, ya que el DS depende de la intensidad y la posición del láser en el voladizo, así como de la calidad de la reflexión de la sonda (es decir, la degradación del revestimiento posterior de la sonda afectará al DS) y la sensibilidad del PSD20.
    1. Configure y realice las sangrías de calibración DS en el zafiro para lograr aproximadamente la misma deflexión de la sonda (en V o nm) que las sangrías de muestra planificadas, ya que el desplazamiento medido es una función del ángulo de deflexión de la punta y se vuelve no lineal para deflexiones grandes.
    2. Determine el DS (en nm/V), o alternativamente, la sensibilidad inversa de la palanca óptica (en V/nm), a partir de la pendiente de la porción lineal del régimen de contacto después del punto de contacto inicial en la curva F-D resultante, como se muestra en la Figura 3A.
    3. Repita la rampa al menos 5 veces, registrando cada valor de DS. Utilice el promedio de los valores para obtener la máxima precisión. Si la desviación estándar relativa (RSD) de las mediciones excede ~1%, vuelva a medir el DS, ya que a veces las primeras curvas F-D no son ideales debido a la introducción inicial de fuerzas adhesivas.
    4. Si la constante de resorte del voladizo de la sonda, k, no está calibrada de fábrica (por ejemplo, mediante vibrometría láser Doppler [LDV]), calibre la constante de resorte.
      NOTA: El método de ajuste térmico es óptimo para voladizos relativamente blandos con k < 10 N/m (consulte la sección de la constante de resorte de la discusión para obtener una lista y descripción de métodos alternativos, particularmente para voladizos rígidos con k > 10 N/m). Como se muestra en la Figura 3B, C, el ajuste térmico generalmente se integra en el software de control AFM.
  2. Si la sonda no viene con una medición del radio de la punta calibrada de fábrica (por ejemplo, a través de imágenes de microscopio electrónico de barrido [SEM]), mida el radio efectivo de la punta, R.
    NOTA: Hay dos métodos comunes para medir el radio de la punta (consulte la sección de discusión correspondiente), pero el más común para las puntas de sonda a escala nanométrica es el método de reconstrucción de punta ciega (BTR), que utiliza un estándar de rugosidad (consulte la Tabla de materiales) que contiene numerosas características extremadamente nítidas (sub-nm) que sirven para obtener imágenes efectivas de la punta, en lugar de la punta que obtiene imágenes de la muestra.
    1. Si emplea el método BTR, cree una imagen de la muestra de rugosidad (caracterización de la punta) utilizando una velocidad de escaneo lenta (<0.5 Hz) y altas ganancias de retroalimentación para ayudar a optimizar el seguimiento de las características muy nítidas. Elija un tamaño de imagen y una densidad de píxeles (resolución) en función del radio de punta esperado (por ejemplo, una imagen de 1024 x 1024 píxeles de un área de 3 μm x 3 μm tendrá una resolución lateral de ~ 3 nm).
    2. Utilice el software de análisis de imágenes AFM (consulte la Tabla de materiales) para modelar la punta de la sonda y estimar su radio final y el diámetro efectivo de la punta a la profundidad de indentación de la muestra esperada, como se muestra en la Figura 3D-F.
  3. Al completar la calibración de la sonda, introduzca los valores DS, k y R en el software del instrumento, como se muestra en la Figura 4A.
    1. Introduzca una estimación de la relación de Poisson de la muestra, ν, para permitir la conversión del módulo reducido medido al módulo de muestra real9. Si se emplea un modelo mecánico de contacto cónico o conisférico basado en la forma de la punta y la profundidad de hendidura, también es necesario introducir el ángulo medio de la punta (Figura 4C).
      NOTA: El módulo es relativamente insensible a pequeños errores o incertidumbres en la relación de Poisson estimada. Una estimación de ν = 0,2-0,3 es un buen punto de partida para muchos materiales21.

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Figura 3: Calibración de la sonda. (A) Determinación de la sensibilidad a la deflexión. Resultado de una medición representativa de la sensibilidad a la deflexión realizada en un sustrato de zafiro (E = 345 GPa) para una sonda de modo de roscado estándar (k nominal = 42 N/m; ver Tabla de materiales) con un revestimiento de aluminio reflectante en la parte posterior. Se muestran las curvas de aproximación medida (traza azul) y retracción o retirada (traza roja). La sensibilidad de deflexión medida de 59,16 nm/V se determinó ajustando la curva de aproximación entre los puntos de ajuste al contacto y de giro, como lo indica la región entre las líneas rojas punteadas verticales. La región de deflexión negativa evidente en la curva de retracción/retirada antes de arrancar la superficie es indicativa de la adhesión de la punta de la muestra. (B,C) Puesta a punto térmica. Espectros representativos de ruido térmico en voladizo (trazas azules) con ajustes correspondientes (trazas rojas) para dos sondas diferentes. (B) Configuración de ajuste térmico y parámetros de ajuste para una sonda de imagen AFM basada en curva de fuerza estándar (consulte la Tabla de materiales) con su constante de resorte nominal k = 0.4 N / m utilizada como una estimación inicial. El ajuste del espectro de ruido térmico en voladizo produce una frecuencia de resonancia fundamental de f 0 = 79,8 kHz, que está razonablemente bien de acuerdo con el valor nominal de f0 = 70 kHz. El factor Q medido es 58,1. La bondad del ajuste (R2 = 0,99) se basa en la concordancia del ajuste con los datos entre las dos líneas rojas discontinuas verticales. Tenga en cuenta que es importante conocer e introducir tanto la temperatura ambiente como la sensibilidad a la deflexión para obtener resultados precisos. (C) Espectro de ruido térmico en voladizo y ajuste correspondiente (es decir, sintonía térmica) con la constante de resorte calculada resultante k = 0.105 N / m para un voladizo extremadamente blando utilizado para realizar mediciones nanomecánicas en células vivas y núcleos aislados. Tenga en cuenta la frecuencia de resonancia natural significativamente más baja de ~ 2-3 kHz. (D-F) Reconstrucción con punta ciega. Flujo de trabajo representativo de reconstrucción de punta ciega para una sonda de punta de diamante (nominal R = 40 nm; consulte la Tabla de materiales). (D) Una imagen de 5 μm x 5 μm de una muestra de caracterización de punta que consiste en una serie de picos de titanio extremadamente afilados (sub-nm) que sirven para obtener imágenes de la punta de la sonda AFM. (E) Modelo reconstruido resultante (imagen de altura invertida) de la punta de la sonda. (F) Resultados del ajuste de reconstrucción de la punta ciega, incluido un radio final estimado de R = 29 nm y un diámetro efectivo de la punta de 40 nm a una altura seleccionada por el usuario de 8 nm (es decir, profundidad de hendidura << R) desde el vértice de la punta, calculado convirtiendo el área de contacto punta-muestra a esa altura en un diámetro efectivo suponiendo un perfil circular (es decir, A = πr 2 = π(d/2)2) para su uso con modelos mecánicos de contacto esférico. Abreviaturas: AFM = microscopía de fuerza atómica; ETD = diámetro efectivo de la punta. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 4: Entradas de interfaz de software. (A) Constantes de calibración de la sonda. Interfaz de usuario de software (consulte Tabla de materiales) para introducir la sensibilidad de deflexión medida, la constante de resorte y el radio de punta para permitir mediciones nanomecánicas cuantitativas. La relación de Poisson tanto de la sonda como de la muestra es necesaria para calcular el elástico o el módulo de Young de la muestra a partir de las curvas de fuerza de nanoindentación basadas en voladizo. (B) Ventana de control de rampa. Interfaz de usuario de software (consulte la Tabla de materiales) para configurar experimentos de nanoindentación basados en voladizo, organizados en los parámetros que describen la rampa en sí (es decir, perfil de hendidura), activación del instrumento (por ejemplo, control de fuerza frente a desplazamiento), análisis de fuerza posterior y límites de movimiento (para mejorar la sensibilidad de medición al reducir el rango sobre el cual el convertidor A / D tiene que operar para controlar el piezo Z y leer la desviación PSD). (C) El ángulo medio de la punta (basado en la geometría de la sonda o la medición directa) es importante si se emplea un modelo mecánico de contacto cónico, piramidal o conisférico (por ejemplo, Sneddon). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Recopilar datos de desplazamiento de fuerza (F-D)

NOTA: Los valores de los parámetros presentados aquí (consulte la figura 4B) pueden variar según la fuerza y el rango de sangría para una muestra determinada.

  1. Navegue por la muestra debajo del encabezado AFM y participe en la región de interés deseada.
    1. Monitoree la señal de deflexión vertical (Figura 2B) o realice una rampa inicial pequeña (~50-200 nm) (Figura 4B) para verificar que la punta y la muestra estén en contacto (consulte la Figura 5A).
    2. Ajuste la posición de la cabeza AFM ligeramente hacia arriba (en pasos correspondientes a ~ 50% del tamaño total de la rampa) y vuelva a rampa. Repita hasta que la punta y la muestra estén fuera de contacto, como lo demuestra una rampa casi plana (Figura 5B) y una desviación vertical mínima del voladizo (Figura 2A).
    3. Una vez que no haya una interacción obvia entre la punta y la muestra (compare la Figura 2A y la Figura 2B), baje el cabezal AFM en una cantidad correspondiente a ~ 50% -100% del tamaño de la rampa para asegurarse de que la punta de la sonda no choque contra la muestra mientras mueve manualmente el cabezal AFM. Rampa de nuevo, repitiendo hasta que se observe una buena curva (Figura 5D) o una curva similar a la Figura 5C. En este último caso, realice un pequeño ajuste adicional de descenso de la cabeza de AFM igual a ~ 20% -50% del tamaño de la rampa para lograr un buen contacto y una curva de fuerza similar a la que se muestra en la Figura 5D.
  2. Ajuste los parámetros de la rampa (como se describe a continuación y se muestra en Figura 4B) para optimizar el instrumento, la sonda y la muestra, y obtener rampas similares a las que se muestran en Figura 5D.
    1. Seleccione un tamaño de rampa apropiado (es decir, movimiento total de Z-piezo a través de un ciclo de rampa) dependiendo de la muestra (por ejemplo, espesor, módulo esperado, rugosidad de la superficie) y la profundidad de hendidura deseada.
      NOTA: Para muestras más rígidas, es probable que ocurra menos deformación de la muestra (y, por lo tanto, más deflexión de la sonda para un movimiento piezoeléctrico en Z dado), por lo que el tamaño de la rampa generalmente puede ser más pequeño que para muestras más blandas. Los tamaños de rampa típicos para muestras rígidas y voladizos pueden ser de decenas de nm, mientras que para muestras blandas y voladizos las rampas pueden ser de cientos de nm a unos pocos μm de tamaño; Los ejemplos específicos de aplicaciones seleccionadas se presentan en la sección Resultados representativos. Tenga en cuenta que los tamaños de rampa mínimos y máximos posibles dependen del instrumento.
    2. Seleccione una velocidad de rampa adecuada (1 Hz es un buen punto de partida para la mayoría de las muestras).
      NOTA: La velocidad de rampa puede estar limitada por velocidades / anchos de banda electrónicos de control y / o detección. En combinación con el tamaño de la rampa, la velocidad de rampa determina la velocidad de la punta. La velocidad de la punta es particularmente importante a considerar cuando se sangran materiales blandos donde los efectos viscoelásticos pueden causar artefactos de histéresis 9,22.
    3. Elija si desea emplear una rampa activada (controlada por carga) o no activada (controlada por desplazamiento).
      NOTA: En una rampa activada, el sistema se acercará a la muestra en pasos definidos por el usuario (según el tamaño y la resolución de la rampa o el número de puntos de datos) hasta que se detecte el umbral de activación deseado (es decir, la fuerza del punto de consigna o la desviación en voladizo), momento en el que el sistema se retraerá a su posición original y mostrará la curva F-D. En una rampa no activada, el sistema simplemente extiende el Z-piezo la distancia especificada por el tamaño de rampa definido por el usuario y muestra la curva F-D medida. Las rampas activadas son preferidas para la mayoría de los casos de uso, pero las rampas no activadas pueden ser útiles cuando se investigan materiales blandos que no exhiben un punto de contacto afilado y fácilmente identificable.
      1. Si se elige una rampa activada , establezca el umbral de activación (fuerza máxima permitida definida por el usuario o deflexión de la rampa) para obtener la hendidura deseada en la muestra.
        NOTA: El uso de un umbral de activación significa que una rampa puede terminar (es decir, la sonda puede comenzar a retraerse) antes de alcanzar el tamaño de rampa completo (extensión Z-piezo) especificado. Los valores pueden variar de unos pocos nN a unos pocos μN, dependiendo del sistema de punta y muestra.
      2. Establezca la posición de la rampa para determinar la parte del rango máximo del Z-piezo que se utilizará para ejecutar la rampa. Asegúrese de que el rango total del tamaño de la rampa no comience o termine fuera del rango máximo de Z-piezo (ver ejemplos representativos en la Figura 6), de lo contrario, una parte de la curva F-D no representará ninguna medida física (es decir, el Z-piezo estará completamente extendido o retraído, no se moverá).
    4. Establezca el número de muestras/rampa (por ejemplo, 512 muestras/ rampa) para lograr la resolución deseada de la medición (es decir, densidad de puntos de la curva F-D).
      NOTA: Las muestras/rampa máximas pueden estar limitadas por restricciones de software (tamaño de archivo) o hardware (por ejemplo, velocidad de conversión de analógico a digital [A/D], dependiendo de la velocidad de rampa). También es posible limitar el rango Z-piezo o de deflexión permitido (consulte los parámetros de límites en la Figura 4B) para aumentar la resolución efectiva del convertidor A/D del sistema.
    5. Ajuste la rotación X para reducir las fuerzas de cizallamiento en la muestra y la punta moviendo simultáneamente la sonda ligeramente en la dirección X (paralela al voladizo) mientras se sangra en la dirección Z (perpendicular al voladizo). Utilice un valor para la rotación X igual al ángulo de desplazamiento del soporte de la sonda en relación con la superficie normal (12° es típico).
      NOTA: El giro X es necesario porque el voladizo está montado en el soporte de la sonda en un ángulo pequeño con respecto a la superficie para permitir que el rayo láser incidente se refleje en el PSD. Además, los ángulos frontal y posterior de la punta de la sonda pueden diferir entre sí (es decir, la punta de la sonda puede ser asimétrica). Se puede obtener información más específica de los fabricantes individuales de sondas y AFM.

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Figura 5: Optimización de la separación punta-muestra después del acoplamiento para obtener buenas curvas de fuerza. Ejemplos secuenciales de curvas representativas de fuerza-desplazamiento obtenidas al sangrar en fluido (solución salina tamponada con fosfato) en un núcleo vivo de células madre mesenquimales con un voladizo de nitruro de silicio blando calibrado ( k nominal = 0.04 N/m) que termina en una punta hemisférica de 5 μm de radio (ver Tabla de materiales). Las curvas se obtuvieron en el proceso de acoplamiento de la superficie celular y la optimización de los parámetros de hendidura, con el enfoque de la sonda mostrada en azul y retracción / retirada en rojo. (A) La punta ya está enganchada y en contacto con la muestra antes de comenzar la rampa, lo que lleva a una gran deflexión y fuerzas en voladizo, sin una línea de base plana de precontacto. (B) Después de mover manualmente la punta lo suficientemente lejos de la muestra, una rampa de 2 μm no activada da como resultado una curva F-D que es casi plana (es decir, prácticamente sin cambio en la fuerza). En condiciones ambientales, la curva sería más plana, pero en fluido, la viscosidad del medio puede causar ligeras deflexiones del voladizo de la sonda durante una rampa como se ve aquí, incluso sin contacto con la superficie. (C) Después de acercarse ligeramente a la superficie antes de comenzar la rampa, las curvas de aproximación y retracción muestran un ligero aumento de la fuerza (aumento de la pendiente) cerca del punto de giro de la rampa (es decir, transición de aproximación a retirada). La señal reveladora a buscar es que las curvas de aproximación (azul) y retirada (rojo) comienzan a superponerse (región indicada por el círculo negro), lo que es indicativo de una interacción física con la superficie. (D) Una curva F-D ideal adquirida después de la optimización de los parámetros de rampa y acercándose ligeramente (~ 1 μm) más cerca de la superficie de la celda que en C para que la sonda pase aproximadamente la mitad de la rampa en contacto con la celda, lo que permite una deformación suficiente para ajustar la parte de contacto de la curva de aproximación y determinar el módulo elástico. La línea de base relativamente larga, plana y de bajo ruido facilita que el algoritmo de ajuste determine el punto de contacto. Abreviatura: F-D = fuerza-desplazamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 6: Tamaño y posición de la rampa. Monitor Z-piezo que muestra la extensión de la rampa (barra azul) en relación con el rango total de movimiento Z-piezo disponible (barra verde). (A) La posición piezoeléctrica Z está cerca de la mitad de su rango de movimiento, como lo indica tanto la barra azul que se encuentra aproximadamente en el centro de la barra verde como el voltaje actual Z-piezoeléctrico (-78.0 V) que se encuentra aproximadamente entre sus valores completamente retraídos (-212.2 V) y extendidos (+102.2 V). (B) Z-piezo se extiende con respecto a A, sin voltaje de polarización aplicado. (C) Z-piezo se retrae en relación con A y B. (D) La posición piezoeléctrica Z es la misma que en C a -156.0 V, pero el tamaño de la rampa se ha incrementado en relación con A-C para aprovechar más del rango completo de movimiento del Z-piezo. € El tamaño de la rampa es demasiado grande para la posición actual de la rampa, lo que hace que el Z-piezo se extienda hasta el final de su rango. Esto hará que la curva F-D se aplane ya que el sistema no puede extender el Z-piezo aún más. Abreviatura: F-D = fuerza-desplazamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. Análisis de curva F-D

  1. Elija un paquete de software de análisis de datos adecuado. Seleccione y cargue los datos a analizar.
    NOTA: Muchos fabricantes de AFM y programas de software de procesamiento de imágenes AFM tienen soporte incorporado para el análisis de curvas F-D. Alternativamente, la mayor flexibilidad y características de un paquete dedicado de análisis de curvas F-D, como el paquete de software de código abierto AtomicJ, puede ser beneficioso23, particularmente para el procesamiento por lotes y el análisis estadístico de grandes conjuntos de datos o la implementación de modelos complejos de mecánica de contacto.
  2. Valores calibrados de entrada para la constante de resorte, DS y radio de la punta de la sonda, junto con estimaciones del módulo de Young y la relación de Poisson para la punta de la sonda (en función de su composición de material) y la relación de Poisson de la muestra.
    NOTA: Si se utiliza un penetrador de punta de diamante, los valores E tip = 1140 GPa y ν tip = 0.07 se pueden usar21,24,25,26. Para una sonda de silicio estándar, normalmente se puede usar la punta E = 170 GPa y la punta ν = 0.27, aunque el módulo de silicio de Young varía dependiendo de la orientación cristalográfica27.
  3. Elija un modelo de mecánica de contacto de nanoindentación apropiado para la punta y la muestra.
    NOTA: Para los muchos modelos comunes de punta esférica (por ejemplo, Hertz, Maugis, DMT, JKR), es imperativo que la profundidad de hendidura en la muestra sea menor que el radio de la punta; de lo contrario, la geometría esférica de la punta de la sonda da paso a una forma cónica o piramidal (Figura 4C). Para modelos cónicos (por ejemplo, Sneddon28) y piramidales, el medio ángulo de la punta (es decir, el ángulo entre la pared lateral de la punta y una línea de bisección perpendicular al extremo de la punta; Figura 4C) debe ser conocido y generalmente está disponible en el fabricante de la sonda. Para obtener más información sobre los modelos de mecánica de contacto, consulte la sección Análisis de datos de thedDiscussion.
  4. Ejecute el algoritmo de ajuste. Compruebe el ajuste adecuado de las curvas F-D; un bajo error residual correspondiente a un promedio de R 2 cerca de la unidad (por ejemplo, R2 > 0.9) es típicamente indicativo de un buen ajuste al modelo elegido29,30. Verifique las curvas individuales para inspeccionar visualmente la curva, el ajuste del modelo y los puntos de contacto calculados si lo desea (por ejemplo, consulte la Figura 7 y la sección Análisis de datos de la discusión).

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Resultados

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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

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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

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Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.

Agradecimientos

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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. Los estudios de mecánica celular fueron apoyados por los Institutos Nacionales de Salud (EE.UU.) bajo subvenciones AG059923, AR075803 y P20GM109095, y por la Fundación Nacional de Ciencias (EE.UU.) subvenciones 1929188 y 2025505. El trabajo de los sistemas modelo de bicapa lipídica fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (EE.UU.) bajo la subvención R01 EY030067. Los autores agradecen al Dr. Elton Graugnard por producir la imagen compuesta que se muestra en la Figura 11.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Microscopio de fuerza atómicaBrukerDimension IconUtiliza 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
AtomicJAmerican Institute of Physicshttps://doi.org/10.1063/1.4881683Paquete 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. Gabryfigure-materials-1, “ 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 diamanteBrukerPDNISPEsquina 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 diamanteDiatomeUltra 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
EpoxiGorilla Glue26853-31-6La 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 Sciences14381Frasco de 500 mL, lote #150629
Células madre mesenquimales (MSCs)N/AN/ALas 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 móduloBrukerPFQNM-SMPKIT-12MUsed 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 moscovitaTed Pella50-1212 mm de diámetro, mica moscovita de grado V1
Nanscope AnalysisBrukerVersión 2.0Paquete 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 LipidsPOPC: CAS # 26853-31-6, Colesterol: CAS # 57-88-5El 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)BrukerMTFML-V2Específico 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 BrukerFastScan Bio ZSe utiliza con el cabezal Dimension FastScan (escáneres de flexión XY). Número de serie MXYPOM5-1B154.
Soporte de sonda (estándar, ambiente)BrukerDAFMCHEspecífico 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 PuckTed Pella16218El 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 zafiroBrukerPFQNM-SMPKIT-12MSuperficie 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 barridoHitachiS-3400N-IIubicado 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 NuNanoScout 350Modo 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)BrukerRTESPA-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)Allied50-10005
Sondas AFM de nitruro de silicio de grano 120 (punta hemisférica blanda de radio grande)BrukerMLCT-SPH-5UM, MLCT-SPH-5UM-DCTambién 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)BrukerDNP4 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)BrukerScanAsyst-AirValores 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.
SuperglueHenkelLoctite 495Adhesivo instantáneo a base de cianoacrilato. Muchos productos más o menos equivalentes están disponibles.
Bomba de jeringaNew Era Pump SystemsNE1000USSistema de bomba de jeringa de un canal con capacidad de infusión y extracción
Estándar de caracterización de puntasBrukerPFQNM-SMPKIT-12MEstándar de rugosidad de titanio (Ti). Parte del kit de estándares PF-QNM/módulo.
Nitrógeno de ultra alta pureza (UHP N2), 99.999%T de NorcoSPG Tuhpni - TT de nitrógeno de ultra alta pureza (99.999%) para el secado de muestras
UltramicrótomoLeicaEM UC6Equipado con una cuchilla de vidrio (estándar, para la preparación inicial de muestras) y una hoja de diamante (para la preparación final)
Agua ultrapuraThermo FisherBarnstead Nanopure Modelo 7146El 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 variableBuehlerEcoMet 3000Se utiliza con papeles de grano de carburo de silicio durante el pulido manual.
Mesa de aislamiento de vibraciones (activa)HerzanTS-140Se 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)TMC65-531 Mesa deaislamiento 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.
blanca de etanol Cilindro de gas comprimido de tamaño

Referencias

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