Name: 원자력 현미경 캔틸레버 기반 나노인덴테이션: 공기 및 유체의 나노 스케일에서 기계적 특성 측정 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-12-02T13:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 58 s
Description: 배우세요 원자력 현미경 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 활용하여 공기와 유체 환경에서 재료의 나노스케일 기계적 특성을 정량적으로 측정하는 방법을. 정확한 프로브 교정이 필수적입니다.

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모든 AFM 실험은 보이시 주립대학교 표면과학연구소(SSL)에서 수행하였다. SEM 특성화는 Boise State Center for Materials Characterization (BSCMC)에서 수행되었습니다. 바이오 연료 공급 원료에 관한이 간행물에보고 된 연구는 미국 에너지 부, 에너지 효율 및 재생 에너지 사무소, 공급 원료 변환 인터페이스 컨소시엄 (FCIC)의 일부인 바이오 에너지 기술 사무소 및 DOE 아이다 호 운영 사무소 계약 DE-AC07-051ID14517에 의해 부분적으로 지원되었습니다. 세포 역학 연구는 미국 국립 보건원 (National Institutes of Health, USA)의 보조금 AG059923, AR075803 및 P20GM109095과 미국 국립 과학 재단 (National Science Foundation)의 보조금 1929188 및 2025505의 지원을 받았습니다. 모델 지질 이중층 시스템 작업은 보조금 R01 EY030067에 따라 미국 국립 보건원(National Institutes of Health)의 지원을 받았습니다. 저자는 그림 11에 표시된 합성 이미지를 제작한 Elton Graugnard 박사에게 감사를 표합니다.

저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.

시료 전처리 공기 중의 나노인덴테이션의 경우, 일반적인 준비 방법에는 극저온 절편(예: 조직 샘플), 분쇄 및/또는 연마 후 울트라마이크로토밍(예: 수지 포매 생물학적 샘플), 이온 밀링 또는 집속 이온빔 준비(예: 반도체, 다공성 또는 연마가 불가능한 혼합 경도 샘플), 기계적 또는 전기화학적 연마(예: 금속 합금) 또는 박막 증착(예: 원자층 또는 화학 기상 증착, 분자 빔 에피 택시). 목표는 표면 거칠기를 최소화한 샘플을 만드는 것입니다(이상적으로는 nm 스케일, 의도한 압입 깊이의 ≤0.1배). 앞의 많은 방법을 사용하여 샘플을 고순도 여과(예: HPLC 등급) 용매로 헹구고 및/또는 초음파 처리하고 미립자 파편을 제거하기 위해 초고순도(99.999%) 질소(N2) 가스로 건조해야 할 수 있습니다. 대안적으로, 플레이크(예를 들어, 2D 물질) 또는 입자(예를 들어, 나노입자 또는 마이크로캡슐)는 고순도 여과된 용매를 사용하여 제조된 용액으로부터 스핀 코팅되거나 ...

재료의 기계적 특성을 이해하는 것은 엔지니어링에서 가장 기본적이고 필수적인 작업 중 하나입니다. 벌크 재료 특성 분석을 위해 인장 시험1, 압축 시험2, 3점 또는 4점 굽힘(굴곡) 시험3을 포함하여 재료 시스템의 기계적 특성을 특성화하는 데 사용할 수 있는 다양한 방법이 있습니다. 이러한 마이크로 스케일 테스트는 벌크 재료 특성에 관한 귀중한 정보를 제공 할 수 있지만 일반적으로 실패로 수행되므로 파괴적입니다. 또한 박막, 생물학적 재료 및 나노 복합 재료와 같이 오늘날 관심 있는 많은 재료 시스템의 마이크로 및 나노 규모 특성을 정확하게 조사하는 데 필요한 공간 분해능이 부족합니다. 대규모 기계적 테스트의 일부 문제, 주로 파괴적인 특성을 해결하기 위해 광물학에서 미세 경도 테스트를 채택했습니다. 경도는 특정 조건에서 소성 변형에 대한 재료의 저항을 측정한 것입니다. 일반적으로 미세경도 시험은 일반적으로 경화된 강철이나 다이아몬드로 만든 뻣뻣한 프로브를 사용하여 재료에 움푹 들어간 곳을 만듭니다. 그 후, 결과적인 압흔 깊이 및/또는 면적을 사용하여 경도를 결정할 수 있습니다. Vickers4, Knoop5 및 Brinell6 경도를 포함한 여러 방법이 개발되었습니다. 각각은 마이크로 스케일 재료 경도의 측정값을 제공하지만 조건과 정의가 다르기 때문에 동일한 조건에서 수행된 테스트와 비교할 수 있는 데이터만 생성합니다.
계장화 나노인덴테이션은 다양한 미세경도 테스트 방법을 통해 얻은 상대 값을 개선하고, 기계적 특성 분석에 가능한 공간 분해능을 개선하고, 박막 분석을 가능하게 하기 위해 개발되었습니다. 중요하게도, Oliver와 Pharr7에 의해 처음 개발된 방법을 활용하여, 샘플 물질의 탄성 또는 영률(E)은 계장화된 나노인덴테이션을 통해 측정될 수 있다. 또한 Berkovich 3면 피라미드 나노 인덴터 프로브 (이상적인 팁 영역 기능이 Vickers 4면 피라미드 프로브와 일치)8를 사용하여 나노 스케일과 보다 전통적인 마이크로 스케일 경도 측정을 직접 비교할 수 있습니다. AFM의 인기가 높아짐에 따라 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 특히 부드러운 재료의 기계적 특성을 측정하는 데 주목을 받기 시작했습니다. 그 결과, 그림 1에 개략적으로 묘사된 바와 같이, 나노 스케일의 기계적 특성을 조사하고 정량화하기 위해 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 기술은 계측 나노인덴테이션(그림 1A)과 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션(그림 1B)9이며, 후자는 이 작업의 초점입니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64497/64497fig01.jpg"> 그림 1: 계장화 및 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션 시스템 비교. (A) 계장화 나노인덴테이션 및 (B) AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 수행하기 위한 일반적인 시스템을 보여주는 개략도. 이 수치는 Qian et al.51에서 수정되었습니다. 약어: AFM = 원자력 현미경. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64497/64497fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
계장화 및 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 모두 뻣뻣한 프로브를 사용하여 관심 있는 샘플 표면을 변형하고 결과적인 힘과 변위를 시간의 함수로 모니터링합니다. 일반적으로 원하는 하중(즉, 힘) 또는 (Z-피에조) 변위 프로파일은 소프트웨어 인터페이스를 통해 사용자가 지정하고 기기에 의해 직접 제어되는 반면 다른 매개변수는 측정됩니다. 나노인덴테이션 실험에서 가장 자주 얻어지는 기계적 특성은 탄성률(E)로, 압력 단위가 있는 영률(Young's modulus)이라고도 합니다. 재료의 탄성률은 결합 강성과 관련된 기본 특성이며 소성 변형이 시작되기 전에 탄성(즉, 가역적 또는 일시적) 변형 동안 인장 또는 압축 응력(σ, 단위 면적당 적용된 힘)과 축 변형률(ε, 압입 축을 따른 비례 변형)의 비율로 정의됩니다(방정식 [1]).
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq01.jpg" style="margin: auto;">(1개)
많은 물질(특히 생물학적 조직)이 실제로 점탄성이기 때문에 실제로 (동적 또는 복합적) 계수는 탄성(저장, 위상) 및 점성(손실, 위상 이외) 성분으로 구성된다는 점에 유의해야 합니다. 실제로 나노인덴테이션 실험에서 측정되는 것은 감소된 모듈러스 E*이며, 이는 방정식 (2)와 같이 실제 관심 샘플 모듈러스 E와 관련이 있습니다.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq02.jpg" style="margin: auto;">(2개)
여기서 E 팁과 ν 팁은 각각 나노인덴터 팁의 탄성 계수와 푸아송 비율이고, ν는 샘플의 추정된 푸아송 비율입니다. 푸아송 비는 횡방향 변형률과 축 방향 변형률의 음의 비율이며, 따라서 식 (3)과 같이 축 방향 변형을 받을 때(예: 나노인덴테이션 하중 중) 샘플의 가로 신장 정도를 나타냅니다.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq03.jpg" style="margin: auto;">(3)
감소된 모듈러스에서 실제 모듈러스로의 변환이 필요한 이유는 a) 인덴터 팁에 의해 부여된 축 방향 변형률의 일부가 횡방향 변형률로 변환될 수 있고(즉, 샘플이 하중 방향에 수직인 팽창 또는 수축을 통해 변형될 수 있음), b) 인덴터 팁이 무한히 단단하지 않아서 샘플을 압입하는 행위로 인해 팁의 일부(작은) 변형이 발생하기 때문입니다. E 팁이 E>> 경우(즉, 인덴터 팁이 샘플보다 훨씬 단단하며, 다이아몬드 프로브를 사용할 때 종종 해당됨) 감소된 샘플 계수와 실제 샘플 계수 간의 관계는 E ≈ E*(1 - v2)로 크게 단순화됩니다. 계측된 나노인덴테이션은 정확한 힘 특성화 및 다이내믹 레인지 측면에서 우수하지만, AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 더 빠르고, 훨씬 더 큰 힘과 변위 감도를 제공하며, 고해상도 이미징과 향상된 압흔 위치 파악을 가능하게 하고, 나노스케일의 자기 및 전기적 특성을 동시에 조사할 수 있습니다9. 특히, AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 연질 물질(예를 들어, 폴리머, 겔, 지질 이중층, 세포 또는 기타 생물학적 물질), 매우 얇은 (서브 μm) 필름(기판 효과가 압흔 깊이에 따라 작용할 수 있는 곳)10,11 및 그래핀과 같은 부유 2차원(2D) 재료(12,13,14)의 나노스케일에서 기계적 특성의 정량화에 탁월하다 15,16, 운모17, 육각형 질화붕소(h-BN)18 또는 전이 금속 디칼코게나이드(TMDC, 예: MoS2)19. 이는 절묘한 힘(sub-nN)과 변위(sub-nm) 감도 때문이며, 이는 초기 접촉점을 정확하게 결정하고 탄성 변형 영역 내에 남아 있는 데 중요합니다.
AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션에서 샘플 표면을 향한 AFM 프로브의 변위는 보정된 압전 소자(그림 1B)에 의해 작동되며, 샘플 표면과 접촉할 때 발생하는 저항력으로 인해 유연한 캔틸레버가 결국 구부러집니다. 캔틸레버의 이러한 굽힘 또는 처짐은 일반적으로 캔틸레버 후면에서 광검출기(위치 감지 검출기[PSD])로 레이저를 반사하여 모니터링됩니다. 캔틸레버 강성(nN/nm) 및 처짐 감도(nm/V)에 대한 지식과 함께 측정된 캔틸레버 처짐(V)을 샘플에 가해지는 힘(nN)으로 변환할 수 있습니다. 접촉 후 Z-피에조 이동과 캔틸레버 편향 간의 차이로 인해 샘플 압흔 깊이가 산출됩니다. 팁 영역 기능에 대한 지식과 결합하면 팁-샘플 접촉 면적을 계산할 수 있습니다. 결과적인 힘-거리 또는 힘-변위(F-D) 곡선의 접촉 부분의 기울기는 샘플의 나노기계적 특성을 결정하기 위해 적절한 접촉 역학 모델(논의의 데이터 분석 섹션 참조)을 사용하여 적합할 수 있습니다. AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 위에서 설명한 것처럼 계측된 나노인덴테이션에 비해 몇 가지 뚜렷한 이점을 가지고 있지만, 여기에서 논의할 교정, 팁 마모 및 데이터 분석과 같은 몇 가지 실용적인 구현 과제도 제시합니다. AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션의 또 다른 잠재적인 단점은 접촉 반경과 압흔 깊이가 인덴터 반경보다 훨씬 작아야 하기 때문에 선형 탄성을 가정한다는 것인데, 이는 나노스케일 AFM 프로브 및/또는 상당한 표면 거칠기를 나타내는 샘플로 작업할 때 달성하기 어려울 수 있습니다.
전통적으로, 나노인덴테이션은 개별 위치 또는 작은 그리드 인덴테이션 실험으로 제한되어 왔으며, 여기서 원하는 위치(즉, 관심 영역[ROI])가 선택되고 단일 제어된 인덴트, 일부 대기 시간으로 분리된 단일 위치에서의 다중 인덴트 및/또는 인덴트의 거친 그리드가 Hz 정도의 속도로 수행됩니다. 그러나 AFM의 최근 발전으로 인해 고속 힘 곡선 기반 이미징 모드(시스템 제조업체에 따라 다양한 상표명으로 참조)를 활용하여 기계적 특성과 지형을 동시에 획득할 수 있으며, 여기서 힘 곡선은 부하 제어 하에서 kHz 속도로 수행되며 최대 팁-샘플 힘은 이미징 설정점으로 활용됩니다. 포인트 앤 슛 (point-and-shoot) 방법도 개발되어 AFM 지형 이미지를 획득 한 후 이미지 내의 관심 지점에서 선택적 나노 인덴테이션을 수행하여 나노 인덴테이션 위치에 대한 나노 스케일 공간 제어를 제공합니다. 이 연구의 주요 초점은 아니지만, 힘 곡선 기반 이미징 및 포인트 앤 슛 캔틸레버 기반 나노 인덴테이션의 특정 선택된 응용 사례 가 대표 결과에 제시되어 있으며, 사용되는 특정 AFM 플랫폼에서 사용 가능한 경우 아래에 설명된 프로토콜과 함께 사용할 수 있습니다. 특히, 이 작업은 모든 가능한 AFM 시스템에서 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션의 실제 구현을 위한 일반화된 프로토콜을 간략하게 설명하고, 대표적인 결과와 이 기술을 성공적으로 채택하기 위한 뉘앙스, 과제 및 중요한 고려 사항에 대한 심층적인 논의를 포함하여 기술의 4가지 사용 사례 예(공기 중 2개, 유체 중 2개)를 제공합니다.

<table><tbody><tr><td>원자력 현미경</td><td>Bruker</td><td>Dimension Icon</td><td>은 PeakForce Quantitative Nanomechanical Mapping(PF-QNM), FastForce Volume(FFV) 및 Point-and-Shoot Ramping 실험 작업 공간을 포함한 나노스코프 제어 소프트웨어를 사용합니다</td></tr><tr><td>AtomicJ</td><td>American Institute of Physics</td><td>https://doi.org/10.1063/1.4881683</td><td>유연하고 강력한 무료 오픈 소스 Java 기반 힘 곡선 분석 소프트웨어 패키지입니다. Hertz, Sneddon DMT, JKR, Maugis 및 원뿔 또는 피라미드(무뚝뚝한 및 잘린 포함)와 같은 수많은 접촉 역학 모델을 지원합니다. 또한 선택할 수 있는 다양한 초기 컨택 포인트 추정 방법이 포함되어 있습니다. 데이터의 일괄 처리 및 후속 통계 분석(예: 평균, 표준 편차, 히스토그램, 적합도 등)을 지원합니다. 문헌 인용: P. Hermanowicz, M. Sarna, K. Burda, and H. Gabry<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq05.jpg" style="margin: auto; ">, “ AtomicJ: 힘 곡선 분석을 위한 오픈 소스 소프트웨어" Rev. Sci. Instrum. 85: 063703 (2014), https://doi.org/10.1063/1.4881683</td></tr><tr><td>버퍼 용액(PBS)</td><td>Fisher Chemical(NaCl), Sigma Aldrich(KCl), Fisher BioReagents(Na2HPO4 및 KH2PO4)</td><td>S271 (&gt;99% 순도 NaCl), P9541 (&gt;99% 순도 KCl), BP332(&gt;99% 순도 Na2HPO4), BP362 (&gt;99% 순도 KH2PO4</td>)<td>인산염 완충 식염수(PBS)를 137 mM NaCl로 이루어진 수용액으로 실험실에서 제조하고, 초순수에 용해된 2.7mM KCl, 10mM Na2HPO4 및 1.8mM KH2PO4. 시약은 분석 저울을 사용하여 측정하고 유리 제품을 비누와 물로 세척한 후 사용 직전에 오토클레이빙했습니다.</td></tr><tr><td>클로로포름</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>다이아몬드 팁 AFM 프로브</td><td>, Bruker</td><td>PDNISP</td><td>사전 장착, 공장에서 보정된 큐브 코너 다이아몬드(E = 1140 GPa) 팁 AFM 프로브(공칭 R = 40 nm), 스테인리스강 캔틸레버(공칭 k = 225 N/m, f0 = 50 kHz). 스프링 상수는 공장에서 측정되며(프로브의 경우 k = 256 N/m, 여기에 사용된 일련 번호 #13435414) 교정 데이터(프로브 형상을 보여주는 인덴트의 AFM 이미지 포함)가 프로브와 함께 제공됩니다.</td></tr><tr><td>다이아몬드 초소형 칼</td><td>Diatome</td><td>Ultra 35°</td><td>2.1 mm 폭. 또한 최종 표면 준비를 위해 다이아몬드 블레이드로 전환하기 전에 샘플 표면의 초기 거친 절단을 위해 표준 유리 블레이드를 사용했습니다</td></tr><tr><td>에폭시</td><td>고릴라 접착제</td><td>26853-31-6</td><td>에폭시 수지와 경화제를 1 : 1 비율로 혼합하고, 스테인레스 스틸 샘플 퍽 (Ted Pella)에 작은 방울을 떨어뜨리고, V1 등급 백운모 운모 (Ted Pella)를 부착하여 인지질 멤브레인 준비를위한 원자적으로 평평한 표면을 만들었습니다.</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 studies는 Goelzer, M. et al. "Lamin A/C는 지방형성의 기계적 억제에 필수적입니다" Int J mol Sci 22: 6580 (2021) doi:10.3390/ijms22126580 and Peister, A. et al. "근친 마우스의 다른 균주에서 분리된 골수(MSC)의 성체 줄기세포는 표면 항원결정기, 증식 속도 및 분화 잠재력이 다릅니다" Blood 103: 1662-1668 (2004), doi:10.1182/blood-2003-09-3070.</td></tr><tr><td>모듈러스 표준</td><td>Bruker</td><td>PFQNM-SMPKIT-12M</td><td>은 HOPG(E = 18 GPa) 및 PS(E = 2.7 GPa)를 사용했습니다. 또한 2x PDMS(Tack 0, E = 2.5MPa를 포함합니다. Tack 4, E = 3.5 MPa), PS-LDPE(E = 2.0/0.2 GPa), 용융 실리카(E = 72.9 GPa), 사파이어(E - 345 GPa) 및 팁 특성화(티타늄 거칠기) 시료. 모든 샘플은 12mm 직경의 강철 디스크(샘플 퍽)에 사전 장착되어 제공됩니다.</td></tr><tr><td>백운</td>모 <td>Ted Pella</td><td>50-12</td><td>12mm 직경, V1 등급 백운모</td></tr><tr><td>운모 Nanscope Analysis</td><td>Bruker</td><td>버전 2.0</td><td>무료 AFM 이미지 처리 및 분석 소프트웨어 패키지, 그러나 Bruker AFM을 위해 설계되고 독점적/제한됩니다. Gwyddion, WSxM 등과 같은 무료 플랫폼 독립적인 AFM 이미지 처리 및 분석 소프트웨어 패키지에서 유사한 기능을 사용할 수 있습니다. 힘 곡선 분석을 위한 기능이 내장되어 있지만 AtomicJ는 힘 곡선 분석을 위해 더 유연하고 완전한 기능을 갖추고 있으며(예: 선택할 수 있는 더 많은 내장 접촉 역학 모델, 힘 곡선 피팅 결과의 통계 분석 등) 힘 곡선의 일괄 처리를 처리합니다.</td></tr><tr><td>인지질: POPC, 콜레스테롤(양)</td><td>Avanti 극성 지질</td><td>POPC: CAS # 26853-31-6, 콜레스테롤: CAS # 57-88-5</td><td>클로로포름(25mg/mL)에 용해된 POPC 지질을 공급업체에서 얻어 추가 정제 없이 사용했습니다. 같은 공급업체의 콜레스테롤 분말을 클로로포름(20mg/mL)에 용해시켰습니다.</td></tr><tr><td>프로브 홀더 (유체, 지질 이중층)</td><td>Bruker</td><td>MTFML-V2</td><td>사용된 특정 AFM에 특이; MTFML-V2는 멀티모드 AFM에서 유체를 스캔하기 위한 유리 프로브 홀더입니다.</td></tr><tr><td>프로브 홀더(유체, MSC)</td><td>Bruker</td><td>FastScan Bio Z-스캐너</td><td>Dimension FastScan 헤드(XY 굴곡 스캐너)와 함께 사용됩니다. 일련 번호 MXYPOM5-1B154.</td></tr><tr><td>프로브 홀더(표준, 주변)</td><td>Bruker</td><td>DAFMCH</td><td>사용된 특정 AFM에 특정; DAFMCH는 나노인덴테이션(PF-QNM, FFV 및 포인트 앤 슛 램핑)에 적합한 Dimension Icon AFM용 표준 접촉 및 태핑 모드 프로브 홀더입니다.</td></tr><tr><td>샘플 퍽</td><td>Ted Pella</td><td>16218</td><td>제품 번호는 직경 15mm 스테인리스강 샘플 퍽용입니다. </td></tr><tr>프로브의 편향 감도를 측정하기 위한 https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459 사<td>파이어 기판</td><td>Bruker</td><td>PFQNM-SMPKIT-12M</td><td>매우 단단한 표면(E = 345 GPa)에서 6mm, 10mm, 12mm 및 20mm 직경으로도 제공(모든 편향이 기판이 아닌 프로브에서 발생하기를 원함). PF-QNM/모듈러스 표준 키트의 일부입니다.</td></tr><tr><td>주사 전자 현미경</td><td>Hitachi</td><td>S-3400N-II</td>는 <td>Boise State에 있습니다. 적층 제조(AM) Ti-6Al-4V를 제외한 모든 샘플에서 공동 국소화된 SEM/EDS를 수행하는 데 사용됩니다.</td></tr><tr><td>실리콘 AFM 프로브(표준)</td><td>NuNano</td><td>Scout 350</td><td>반사 알루미늄 후면 코팅이 된 표준 태핑 모드 실리콘 프로브; k = 42 N/m(공칭), f0 = 350kHz. 공칭 R = 5nm. 코팅되지 않은 또는 반사 금 뒷면 코팅으로 사용할 수도 있습니다. 유사한 사양의 프로브는 다른 제조업체에서 구입할 수 있습니다(예: Bruker TESPA-V2).</td></tr><tr><td>실리콘 AFM 프로브 (뻣뻣함)</td><td>Bruker</td><td>RTESPA-525, RTESPA-525-30 </td><td>반사 알루미늄 후면 코팅이 된 회전식 팁 에칭 실리콘 프로브; k = 200 N/m (공칭), f0 = 525 kHz. 공칭 R = RTESPA-525의 경우 8nm, R = RTESPA-525-30의 경우 30nm. 각 RTESPA-525-30의 스프링 상수는 레이저 도플러 진동계를 통해 공장에서 개별적으로 측정되며 프로브와 함께 제공됩니다.</td></tr><tr><td>실리콘 카바이드 그릿 페이퍼 (연마 디스크)</td> <td>Allied</td><td>50-10005</td><td>120 그릿</td></tr><tr><td>실리콘 질화물 AFM 프로브 (소프트, 큰 반경 반구형 팁)</td> <td>Bruker</td><td>MLCT-SPH-5UM, MLCT-SPH-5UM-DC</td><td>또한 MLCT-SPH-1UM-DC. 공장에서 보정된(모든 캔틸레버의 프로브 반경 및 스프링 상수) 큰 반경(R = 1 또는 5mm) 반구형 팁(23mm 길이의 원통형 샤프트 끝) 프로브의 새로운 제품 라인. DC = 드리프트 보상 코팅. 6 캔틸레버/프로브(A-F). 공칭 스프링 상수: A, k = 0.07 N/m; B, k = 0.02 N/m; 씨, k = 0.01 N/m; 디, k = 0.03 N/m; E, k = 0.1 N/m; F, k = 0.6 N/m.</td></tr><tr><td>질화규소 AFM 프로브(소프트, 미디엄 샤프 팁)</td><td>Bruker</td><td>DNP</td><td>4 캔틸레버/프로브(A-d). 공칭 스프링 상수: A, k = 0.35 N/m; B, k = 0.12 N/m; 씨, k = 0.24 N/m; 디, k = 0.06 N/m. 곡률의 공칭 반경, R = 10nm.</td></tr><tr><td>질화규소 AFM 프로브(부드럽고 날카로운 팁)</td><td>Bruker</td><td>ScanAsyst-Air</td><td>공명값: 공진 주파수, f0 = 70kHz; 스프링 상수, k = 0.4 N/m, 곡률 반경, R = 2nm. 힘 곡선 기반 AFM 이미징을 위해 설계되었습니다.</td></tr><tr><td>초강력</td><td>접착제 Henkel</td><td>Loctite 495</td><td>시아노아크릴레이트 기반 순간 접착제. 대략 동등한 제품을 많이 쉽게 구할 수 있습니다.</td></tr><tr><td>주사기 펌프</td><td>New Era 펌프 시스템</td><td>NE1000US</td><td>주입 및 인출 용량이 있는 1채널 주사기 펌프 시스템</td></tr>, <tr><td>팁 특성화 표준</td>, <td>Bruker</td><td>PFQNM-SMPKIT-12M</td>, <td>티타늄(Ti) 거칠기 표준. PF-QNM/모듈러스 표준 키트의 일부입니다.</td></tr><tr><td>초고순도 질소(UHP N2), 99.999%</td><td>Norco</td><td>SPG TUHPNI - T</td><td>T 크기 초고순도(99.999%) 질소 압축 가스 실린더 시료 건조용</td></tr><tr><td>초소형 절편기</td><td>Leica</td><td>EM UC6</td><td>유리 블레이드(표준, 초기 시료 준비용) 및 다이아몬드 블레이드(최종 준비용) 장착초</td></tr><tr><td>순수</td><td>Thermo Fisher</td><td>Barnstead Nanopure Model 7146</td><td>모델은 단종되었지만 동등한 제품을 사용할 수 있습니다. &amp;ge를 생성합니다. 18.2 MΩ*cm 초순수, 인라인 UV 모니터링 당 1-5ppb TOC(총 유기 함량). 0.2 &amp;micro 포함; m 미립자 필터, 이온 교환 컬럼 및 UV 산화 챔버.</td></tr><tr><td>가변 속도 그라인더</td><td>Buehler</td><td>EcoMet 3000</td><td>핸드 폴리싱 시 실리콘 카바이드 그릿 종이와 함께 사용됩니다.</td></tr><tr><td>방진 테이블 (활성)</td><td>Herzan</td><td>TS-140</td><td>Bruker MultiMode AFM과 함께 사용됩니다. TMC 65-531 방진 테이블에 장착됩니다. Bruker Dimension Icon AFM은 엄격한 수동 진동 절연(맞춤형 음향 후드, 에어 테이블 및 화강암 슬래브가 있는 제조업체에서 제공)을 사용합니다.</td></tr><tr><td>방진 테이블(패시브)</td><td>TMC</td><td>65-531</td><td>35" x 30" 방진 테이블(에어 댐핑 옵션)(비활성화). Bruker MultiMode AFM과 함께 사용됩니다. Herzan TS-140 "테이블 스테이블" 능동 진동 제어 테이블이 상단에 있습니다.</td></tr></tbody></table>

원자력 현미경 캔틸레버 기반 나노인덴테이션: 공기 및 유체의 나노 스케일에서 기계적 특성 측정

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

원자간력 현미경(AFM)은 기본적으로 나노 스케일 AFM 프로브 팁과 샘플 표면 사이의 상호 작용을 측정합니다. 프로브 팁에 의해 가해지는 힘과 샘플과의 접촉 면적을 정량화할 수 있는 경우, 프로브되는 표면의 나노스케일 기계적 특성(예: 탄성 또는 영률)을 결정할 수 있습니다. 정량적 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션 실험을 수행하기 위한 자세한 절차가 여기에 제공되며, kPa에서 GPa에 이르는 다양한 샘플 유형의 탄성 계수를 결정하기 위해 기술을 적용할 수 있는 방법의 대표적인 예가 제공됩니다. 여기에는 살아있는 중간엽 줄기 세포(MSC)와 생리학적 완충액의 핵, 수지에 묻힌 탈수 로블로리 소나무 단면 및 다양한 구성의 Bakken 셰일이 포함됩니다.
또한 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 인지질 이중층의 파열 강도(즉, 파열력)를 조사하는 데 사용됩니다. 방법의 적절한 구현을 돕기 위해 분석법 선택 및 개발, 프로브 선택 및 교정, 관심 영역 식별, 시료 이질성, 특징 크기 및 종횡비, 팁 마모, 표면 거칠기, 데이터 분석 및 측정 통계와 같은 중요한 실제 고려 사항에 대해 설명합니다. 마지막으로, 원소 조성에 관한 추가 정보를 제공하는 전자 현미경 기술과 AFM 유래 나노 역학 맵의 공동 국소화가 시연됩니다.

힘-변위 곡선 그림 7은 중간엽 줄기 세포(MSC) 핵(그림 7B)의 수지 포매 로블로리 소나무 샘플(그림 7A) 및 유체(인산염 완충 식염수[PBS])에서 공기 중에서 수행된 나노인덴테이션 실험에서 얻은 대표적이고 거의 이상적인 F-D 곡선을 보여줍니다. 모든 접촉 역학 모델의 사용은 초기 팁-샘플 접점의 정확하고 신뢰할 수 있는 결정에 의존합니다. 따라서 그림 7에 표시된 F-D 곡선의 초기 접점 앞의 비교적 평탄하고 노이즈가 적은 베이스라인과 접촉 부분의 부드러운 기울기는 접근 곡선(파란색 트레이스)과 인서트의 해당 피팅(녹색 트레이스) 간의 탁월한 일치로 입증된 바와 같이 기계적 특성을 추출하기 위한 분석에 이상적입니다.
반대...

원자력 현미경(AFM) 프로브 팁이 샘플 표면에 가하는 접촉 면적과 힘을 정량화하면 나노 크기의 기계적 특성을 측정할 수 있습니다. 탄성 계수 또는 기타 나노기계적 특성을 측정하기 위해 연질 및 경질 샘플의 공기 또는 유체에서 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 구현하는 모범 사례에 대해 설명합니다.

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

원자력 현미경 또는 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 공기와 유체 모두에서 킬로파스칼에서 기가파스칼에 이르는 모듈러스 범위의 재료의 나노 스케일 기계적 특성을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 광범위한 재료 및 관련 환경에서 나노 단위의 정밀도와 분해능으로 공동 국소화된 지형 이미징 및 현장 정량적 기계적 특성 측정을 가능하게 합니다. AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 다양한 기계적 특성을 나타내는 건강한 구조와 질병 구조, 조직 또는 세포를 구별하는 데 사용할 수 있습니다.캔틸레버 기반 나노인덴테이션 중에 가해지는 팁 시료 접촉 면적과 힘을 정확하게 결정하려면 AFM 프로브를 세심하게 보정해야 하며, 이는 까다롭지만 정량적인 나노스케일 기계적 특성 측정에 필수적입니다. 시작하려면 매체, 예상 계수, 샘플 지형 및 관련 피처 크기를 기반으로 의도한 샘플의 나노인덴테이션을 위한 적절한 원자력 현미경 또는 AFM 프로브를 선택합니다. 프로브를 프로브 홀더에 로드하고 프로브 홀더를 AFM 스캔 헤드에 부착합니다.AFM 소프트웨어에서 사용자가 개별 램프를 제어할 수 있는 적절한 나노인덴테이션 모드를 선택합니다. 레이저를 프로브 팁 위치 반대쪽의 프로브 캔틸레버 뒷면과 위치 감지 감지기(PSD)에 맞춥니다. 합계 전압을 최대화하여 캔틸레버 뒷면의 레이저 빔 스폿을 중앙에 배치합니다.다음으로, 수직 및 수평 편향 신호를 가능한 한 0에 가깝게 조정하여 반사된 레이저 빔 스폿을 PSD에 중앙에 배치함으로써, 캔틸레버 편향에 비례하는 출력 전압을 생성하기 위한 최대 검출 가능한 편향 범위를 제공합니다. 프로브 AFM 시스템의 편향 감도(DS)를 교정합니다. 이렇게 하려면 측정된 변위가 팁 편향 각도의 함수이고 큰 편향에 대해 비선형이 되기 때문에 계획된 샘플 압흔과 거의 동일한 프로브 편향을 달성하기 위해 Sapphire에서 DS 보정 압흔을 설정하고 수행합니다.램프를 다섯 번 반복합니다. 볼트당 나노미터 단위의 DS 또는 역광학 레버 감도 및 결과적인 힘 변위 또는 FD 곡선의 초기 접촉점 이후 인접촉 영역의 선형 부분의 기울기로부터 나노미터당 볼트 단위의 DS를 결정합니다. 최대 정확도를 위해 값의 평균을 사용합니다.상대 표준 편차가 1%를 초과하면 DS를 재측정합니다., 때때로 처음 몇 개의 FD 곡선은 접착력의 초기 도입으로 인해 이상적이지 않습니다. 프로브 캔틸레버의 스프링 상수 K가 공장에서 보정되지 않은 경우 스프링 상수를 보정합니다. 프로브에 공장에서 보정된 팁 반경 측정값이 없는 경우 블라인드 팁 재구성 방법을 사용하는 경우 효과적인 팁 반경 R.If 매우 선명한 형상의 추적을 최적화하는 데 도움이 되도록 느린 스캔 속도와 높은 피드백 게인을 사용하여 팁 특성화 또는 거칠기 샘플을 이미지화합니다.예상 팁 반경을 기준으로 이미지 크기와 픽셀 밀도를 선택합니다. 다음으로, AFM 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 프로브 팁을 모델링하고 예상 샘플 압흔 깊이에서 프로브 팁의 끝 반경과 유효 팁 직경을 추정합니다. 프로브 교정이 완료되면 소프트웨어에 DS, K 및 R 값을 입력합니다.마지막으로, 샘플의 포아송 비율 추정치를 입력하여 측정된 감소된 계수를 실제 샘플 계수로 변환합니다. 팁 모양과 압흔 깊이를 기반으로 하는 원뿔형 또는 원구형 접촉 역학 모델을 사용하는 경우 팁 반각을 입력해야 합니다. AFM 헤드 아래의 샘플을 탐색하고 원하는 관심 영역에 참여합니다.수직 편향 신호를 모니터링하거나 작은 초기 램프를 수행하여 팁과 샘플이 접촉하는지 확인합니다. AFM 헤드 위치를 약간 위쪽으로 조정하고 ramp 다시. 팁과 샘플이 접촉하지 않을 때까지 반복하며, 이는 거의 평평한 램프와 캔틸레버의 최소 수직 처짐에 의해 입증됩니다.명백한 팁 샘플 상호 작용이 없으면 램프 크기의 약 50%에 해당하는 양만큼 AFM 헤드를 낮추어 AFM 헤드를 수동으로 이동하는 동안 프로브 팁이 샘플에 충돌하지 않도록 합니다. 좋은 곡선이 관찰될 때까지 반복하면서 다시 램프를 돌립니다. 램프 매개변수를 조정합니다.샘플과 원하는 압흔 깊이에 따라 적절한 램프 크기를 선택합니다. 그런 다음 적절한 램프 속도를 선택합니다. 1헤르츠는 대부분의 표본에서 좋은 출발점입니다.r당 샘플 수를 설정합니다.amp 원하는 측정 분해능을 얻을 수 있습니다. X 회전을 설정하여 샘플과 팁의 전단력을 줄이면서 동시에 프로브를 X 방향으로 약간 움직여 Z 방향으로 움푹 들어간 곳을 설정합니다. X 회전(X Rotate) 값을 표면 수직에 대한 프로브 홀더의 오프셋 각도와 동일하게 사용합니다.다음으로, 트리거된 램프를 사용할지 또는 트리거되지 않은 램프를 사용할지 여부를 선택합니다. 트리거된 램프를 선택한 경우 트리거 임계값을 설정하여 샘플에 원하는 압흔이 들어오도록 합니다. 선택한 위치에서 들여쓰기를 수행합니다.소프트웨어에서 분석할 데이터를 선택하고 로드합니다. 스프링 상수, DS 또는 역 광학 레버 감도, 프로브 팁 반경에 대한 보정된 값과 샘플의 푸아송 비율 추정치를 입력합니다. 팁과 샘플에 적합한 나노인덴테이션 접촉 역학 모델을 선택합니다.피팅 알고리즘을 실행합니다. FD 곡선이 제대로 맞는지 확인하십시오. 평균 R-제곱 근단일성에 해당하는 낮은 잔차 오차는 선택한 모형에 적합도가 높다는 것을 나타냅니다.원하는 경우 개별 커브를 스폿 체크하여 커브, 모델 피팅 및 계산된 접촉점을 육안으로 검사합니다. 수지가 내장된 로블로리 소나무 샘플의 공기 중과 중간엽 줄기 세포 핵의 인산염 완충 식염수에서 얻은 거의 이상적인 FD 곡선이 표시됩니다. 실리콘 프로브를 사용하면 팁이 이미징 전반에 걸쳐 초기 원시 상태에 비해 상당한 마모를 경험했습니다.이후의 각 이미지에서 팁은 점점 더 둥글게 됩니다. 다이아몬드 프로브와 달리 팁 반경은 블라인드 팁 재구성 방법의 한계 내에서 변하지 않아 다이아몬드의 극한의 내마모성을 강조했습니다. 의사 3D 묘사와 로블로리 소나무 샘플의 해당 모듈러스 맵으로 여러 세포를 덮고 있는 AFM 지형 이미지가 여기에 표시됩니다.AFM 영상을 획득하는 동안 생성된 AFM 유래 모듈러스 맵은 영상의 중앙에 미네랄 함유가 주변 유기 매트릭스보다 현저히 더 단단하다는 것을 보여준다. 프로브 팁 반경과 모양이 Bakken 셰일 샘플의 고종횡비 특징의 모양에 미치는 영향을 보여줍니다. 중간엽 줄기 세포와 분리된 핵에 대한 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 탄성 계수에서 통계적 차이를 나타내지 않았습니다.AFM에 의해 연구된 지질 이중층을 함유한 콜레스테롤의 형태 및 기계적 특성이 여기에서 입증됩니다. 접촉 역학 모델에서 적절한 프로브 교정과 적절한 램프 파라미터 선택은 정확한 나노 기계 측정에 필수적입니다. 탄성 모듈식 측정을 가능하게 하는 것 외에도 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 사용하여 생리학적 관련 조건에서 인지질 이중층의 파열 강도 또는 파열력을 조사할 수 있습니다.AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 통해 구조적 녹아웃, 약물 처리 및 저강도 진동의 효과를 조사하여 중간엽 줄기 세포 핵의 기계적 특성에 대한 운동을 시뮬레이션할 수 있었습니다.

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원자력 현미경 캔틸레버 기반 나노 인덴테이션 : 공기 및 유체의 나노 스케일에서 기계적 특성 측정

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