Methodenartikel

Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanische eigenschapsmetingen op nanoschaal in lucht en vloeistof

DOI:

10.3791/64497

⸱

2 december 2022

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

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

Het kwantificeren van het contactoppervlak en de kracht die door een atoomkrachtmicroscoop (AFM) sondepunt op een monsteroppervlak wordt uitgeoefend, maakt mechanische eigenschapsbepaling op nanoschaal mogelijk. Best practices voor het implementeren van AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie in lucht of vloeistof op zachte en harde monsters om elastische modulus of andere nanomechanische eigenschappen te meten, worden besproken.

Samenvatting

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

Een atoomkrachtmicroscoop (AFM) meet fundamenteel de interactie tussen een AFM-sondepunt op nanoschaal en het monsteroppervlak. Als de kracht die door de sondepunt wordt uitgeoefend en het contactgebied met het monster kunnen worden gekwantificeerd, is het mogelijk om de mechanische eigenschappen op nanoschaal (bijvoorbeeld elastiek of de modulus van Young) van het te onderzoeken oppervlak te bepalen. Een gedetailleerde procedure voor het uitvoeren van kwantitatieve AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie-experimenten wordt hier gegeven, met representatieve voorbeelden van hoe de techniek kan worden toegepast om de elastische moduli van een breed scala aan monstertypen te bepalen, variërend van kPa tot GPa. Deze omvatten levende mesenchymale stamcellen (MSC's) en kernen in fysiologische buffer, hars-ingebedde gedehydrateerde loblolly pine doorsneden en Bakken leisteen van verschillende samenstelling.

Daarnaast wordt AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie gebruikt om de breuksterkte (d.w.z. doorbraakkracht) van fosfolipide bilayers te onderzoeken. Belangrijke praktische overwegingen zoals methodekeuze en -ontwikkeling, sondeselectie en kalibratie, identificatie van interessegebieden, heterogeniteit van monsters, functiegrootte en beeldverhouding, tipslijtage, oppervlakteruwheid en gegevensanalyse en meetstatistieken worden besproken om een goede implementatie van de techniek te bevorderen. Ten slotte wordt co-lokalisatie van AFM-afgeleide nanomechanische kaarten met elektronenmicroscopietechnieken aangetoond die aanvullende informatie geven over de elementaire samenstelling.

Inleiding

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

Het begrijpen van de mechanische eigenschappen van materialen is een van de meest fundamentele en essentiële taken in engineering. Voor de analyse van de eigenschappen van bulkmateriaal zijn er tal van methoden beschikbaar om de mechanische eigenschappen van materiaalsystemen te karakteriseren, waaronder trekproeven1, compressietests2 en drie- of vierpuntsbuigproeven (buigproeven)3. Hoewel deze tests op microschaal waardevolle informatie kunnen opleveren over de eigenschappen van bulkmateriaal, worden ze over het algemeen uitgevoerd om te falen en zijn ze daarom destructief. Bovendien missen ze de ruimtelijke resolutie die nodig is om de micro- en nanoschaaleigenschappen van veel materiaalsystemen die vandaag de dag van belang zijn, zoals dunne films, biologische materialen en nanocomposieten, nauwkeurig te onderzoeken. Om te beginnen met het aanpakken van enkele van de problemen met grootschalige mechanische tests, voornamelijk de destructieve aard ervan, werden microhardheidstests overgenomen van mineralogie. Hardheid is een maat voor de weerstand van een materiaal tegen plastische vervorming onder specifieke omstandigheden. Over het algemeen gebruiken microhardheidstests een stijve sonde, meestal gemaakt van gehard staal of diamant, om in een materiaal te springen. De resulterende inkepingsdiepte en/of -oppervlakte kan vervolgens worden gebruikt om de hardheid te bepalen. Er zijn verschillende methoden ontwikkeld, waaronder Vickers4, Knoop5 en Brinell6 hardheid; Elk biedt een maat voor de materiaalhardheid op microschaal, maar onder verschillende omstandigheden en definities, en produceert als zodanig alleen gegevens die kunnen worden vergeleken met tests die onder dezelfde omstandigheden worden uitgevoerd.

Geïnstrumenteerde nano-indentatie werd ontwikkeld om de relatieve waarden verkregen via de verschillende microhardheidstestmethoden te verbeteren, de ruimtelijke resolutie te verbeteren die mogelijk is voor de analyse van mechanische eigenschappen en de analyse van dunne films mogelijk te maken. Belangrijk is dat door gebruik te maken van de methode die voor het eerst is ontwikkeld door Oliver en Pharr7, het elastische of Young's modulus, E, van een monstermateriaal kan worden bepaald via geïnstrumenteerde nano-indentatie. Bovendien kan, door gebruik te maken van een Berkovich driezijdige piramidale nanoindenter-sonde (waarvan de ideale tipgebiedfunctie overeenkomt met die van de Vickers vierzijdige piramidale sonde)8, een directe vergelijking tussen nanoschaal en meer traditionele microschaalhardheidsmetingen worden gemaakt. Met de groeiende populariteit van de AFM begon ook AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie aandacht te krijgen, met name voor het meten van de mechanische eigenschappen van zachtere materialen. Als gevolg hiervan, zoals schematisch weergegeven in figuur 1, zijn de twee meest gebruikte technieken om mechanische eigenschappen op nanoschaal te ondervragen en te kwantificeren geïnstrumenteerde nano-indentatie (figuur 1A) en AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie (figuur 1B)9, waarvan de laatste de focus van dit werk is.

figure-introduction-1
Figuur 1: Vergelijking van geïnstrumenteerde en AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatiesystemen. Schematische diagrammen met typische systemen voor het uitvoeren van (A) geïnstrumenteerde nano-indentatie en (B) AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie. Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van Qian et al.51. Afkorting: AFM = atoomkrachtmicroscopie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Zowel geïnstrumenteerde als AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie maken gebruik van een stijve sonde om een monsteroppervlak van belang te vervormen en de resulterende kracht en verplaatsing te bewaken als een functie van de tijd. Doorgaans wordt het gewenste belastings- (d.w.z. kracht) of (Z-piëzo) verplaatsingsprofiel door de gebruiker gespecificeerd via de software-interface en rechtstreeks door het instrument geregeld, terwijl de andere parameter wordt gemeten. De mechanische eigenschap die het vaakst wordt verkregen uit nano-indentatie-experimenten is de elastische modulus (E), ook wel de Young-modulus genoemd, die drukeenheden heeft. De elastische modulus van een materiaal is een fundamentele eigenschap met betrekking tot de bindingsstijfheid en wordt gedefinieerd als de verhouding tussen trek- of drukspanning (σ, de uitgeoefende kracht per oppervlakte-eenheid) tot axiale spanning (ε, de proportionele vervorming langs de inkepingsas) tijdens elastische (d.w.z. omkeerbare of tijdelijke) vervorming voorafgaand aan het begin van plastische vervorming (vergelijking [1]):

figure-introduction-2(1)

Opgemerkt moet worden dat, omdat veel materialen (vooral biologische weefsels) in feite visco-elastisch zijn, de (dynamische of complexe) modulus in werkelijkheid bestaat uit zowel elastische (opslag, in fase) als viskeuze (verlies, uit fase) componenten. In de praktijk wordt in een nano-indentatie-experiment de gereduceerde modulus, E *, gemeten, die gerelateerd is aan de werkelijke monstermodulus van belang, E, zoals weergegeven in vergelijking (2):

figure-introduction-3(2)

Waarbij E-tip en ν-tip respectievelijk de elastische modulus en Poisson-verhouding van de nano-indenterpunt zijn, en ν de geschatte Poisson-verhouding van het monster. De Poisson-verhouding is de negatieve verhouding van de transversale tot axiale spanning en geeft dus de mate van transversale verlenging van een monster aan bij blootstelling aan axiale spanning (bijvoorbeeld tijdens nano-indentatiebelasting), zoals weergegeven in vergelijking (3):

figure-introduction-4(3)

De omzetting van gereduceerde naar werkelijke modulus is noodzakelijk omdat a) een deel van de axiale spanning die door de indrukkerijpunt wordt gegeven, kan worden omgezet in dwarsspanning (d.w.z. het monster kan vervormen door uitzetting of samentrekking loodrecht op de belastingsrichting), en b) de indrukkerijpunt niet oneindig hard is, en dus resulteert de handeling van het inspringen van het monster in een (kleine) hoeveelheid vervorming van de punt. Merk op dat in het geval dat E-tip >> E (d.w.z. de indrukpunt is veel harder dan het monster, wat vaak het geval is bij het gebruik van een diamantsonde), de relatie tussen de gereduceerde en werkelijke monstermodulus aanzienlijk vereenvoudigt tot E ≈ E * (1 - v2). Terwijl geïnstrumenteerde nano-indentatie superieur is in termen van nauwkeurige krachtkarakterisering en dynamisch bereik, is AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie sneller, biedt ordes van grootte grotere kracht- en verplaatsingsgevoeligheid, maakt beeldvorming met een hogere resolutie en verbeterde inspringing lokalisatie mogelijk en kan tegelijkertijd magnetische en elektrische eigenschappen op nanoschaal onderzoeken9. In het bijzonder is AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie superieur voor de kwantificering van mechanische eigenschappen op nanoschaal van zachte materialen (bijv. polymeren, gels, lipide bilayers en cellen of andere biologische materialen), extreem dunne (sub-μm) films (waarbij substraateffecten een rol kunnen spelen afhankelijk van de inkepingsdiepte)10,11, en gesuspendeerde tweedimensionale (2D) materialen12,13,14 zoals grafeen 15,16, mica17, hexagonaal boornitride (h-BN)18, of overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC's; bijv. MoS2)19. Dit komt door de voortreffelijke kracht (sub-nN) en verplaatsingsgevoeligheid (sub-nm), die belangrijk is voor het nauwkeurig bepalen van het begincontactpunt en het blijven binnen het elastische vervormingsgebied.

Bij AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie wordt de verplaatsing van een AFM-sonde naar het monsteroppervlak geactiveerd door een gekalibreerd piëzo-elektrisch element (figuur 1B), waarbij de flexibele cantilever uiteindelijk buigt als gevolg van de weerstandskracht die wordt ervaren bij contact met het monsteroppervlak. Deze buiging of afbuiging van de cantilever wordt meestal bewaakt door een laser van de achterkant van de cantilever te reflecteren en in een fotodetector (positiegevoelige detector [PSD]). In combinatie met de kennis van de cantileverstijfheid (in nN/nm) en doorbuigingsgevoeligheid (in nm/V) is het mogelijk om deze gemeten cantileverafbuiging (in V) om te zetten in de kracht (in nN) die op het monster wordt uitgeoefend. Na contact levert het verschil tussen de Z-piëzobeweging en de cantileverafbuiging de inkepingdiepte van het monster op. In combinatie met de kennis van de tipgebiedfunctie maakt dit de berekening van het tip-monster contactgebied mogelijk. De helling van de contactgedeelten van de resulterende krachtafstands- of krachtverplaatsingscurven (F-D) kan vervolgens worden aangepast met behulp van een geschikt contactmechanicamodel (zie het gedeelte Gegevensanalyse van de discussie) om de nanomechanische eigenschappen van het monster te bepalen. Hoewel AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie een aantal duidelijke voordelen heeft ten opzichte van geïnstrumenteerde nano-indentatie zoals hierboven beschreven, brengt het ook verschillende praktische implementatie-uitdagingen met zich mee, zoals kalibratie, tipslijtage en data-analyse, die hier zullen worden besproken. Een ander potentieel nadeel van AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie is de aanname van lineaire elasticiteit, omdat de contactradius en indrukkingsdiepten veel kleiner moeten zijn dan de indrukkerijradius, wat moeilijk te bereiken kan zijn bij het werken met AFM-sondes op nanoschaal en / of monsters met een aanzienlijke oppervlakteruwheid.

Traditioneel is nano-indentatie beperkt tot individuele locaties of kleine rasterinspringingsexperimenten, waarbij een gewenste locatie (d.w.z. regio van belang [ROI]) wordt geselecteerd en een enkele gecontroleerde inspringing, meerdere inspringingen op een enkele locatie gescheiden door enige wachttijd, en / of een grof raster van inspringingen worden uitgevoerd met een snelheid in de orde van Hz. Recente ontwikkelingen in de AFM maken het echter mogelijk om mechanische eigenschappen en topografie gelijktijdig te verwerven door het gebruik van op hoge snelheid op krachtcurve gebaseerde beeldvormingsmodi (aangeduid met verschillende handelsnamen, afhankelijk van de systeemfabrikant), waarbij krachtcurven worden uitgevoerd met een kHz-snelheid onder belastingscontrole, waarbij de maximale tip-samplekracht wordt gebruikt als het beeldvormingsinstelpunt. Er zijn ook point-and-shoot-methoden ontwikkeld, die het mogelijk maken om een AFM-topografiebeeld te verkrijgen, gevolgd door daaropvolgende selectieve nano-indentatie op interessante punten in het beeld, waardoor ruimtelijke controle op nanoschaal over de locatie van nano-indentatie mogelijk is. Hoewel dit niet de primaire focus van dit werk is, worden specifieke geselecteerde toepassingsvoorbeelden van zowel op krachtcurve gebaseerde beeldvorming als op point-and-shoot cantilever-gebaseerde nano-indentatie gepresenteerd in de representatieve resultaten en kunnen worden gebruikt in combinatie met het onderstaande protocol, indien beschikbaar op het specifieke AFM-platform dat wordt gebruikt. In het bijzonder schetst dit werk een algemeen protocol voor de praktische implementatie van AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie op elk capabel AFM-systeem en biedt vier use case-voorbeelden (twee in lucht, twee in vloeistof) van de techniek, inclusief representatieve resultaten en een diepgaande bespreking van de nuances, uitdagingen en belangrijke overwegingen om de techniek met succes toe te passen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

OPMERKING: Vanwege de grote verscheidenheid aan commercieel verkrijgbare AFM's en de diversiteit van monstertypen en toepassingen die bestaan voor op cantilever gebaseerde nano-indentatie, is het volgende protocol opzettelijk ontworpen om relatief algemeen van aard te zijn, met de nadruk op de gedeelde stappen die nodig zijn voor alle op cantilever gebaseerde nano-indentatie-experimenten, ongeacht het instrument of de fabrikant. Daarom gaan de auteurs ervan uit dat de lezer op zijn minst basiskennis bezit van het bedienen van het specifieke instrument dat is gekozen voor het uitvoeren van op cantilever gebaseerde nano-indentatie. Naast het hieronder beschreven algemene protocol is echter een gedetailleerde stapsgewijze standaardwerkwijze (SOP) specifiek voor de AFM en de hier gebruikte software (zie materiaaltabel), gericht op cantilever-gebaseerde nano-indentatie van monsters in vloeistof, opgenomen als aanvullend materiaal.

1. Monstervoorbereiding en instrumentopstelling

  1. Bereid het monster voor op een manier die zowel de oppervlakteruwheid (idealiter nanometerschaal, ~ 10x minder dan de beoogde inkepingsdiepte) als verontreiniging minimaliseert zonder de mechanische eigenschappen van het (de) betreffende gebied (en) te wijzigen.
  2. Selecteer een geschikte AFM-sonde voor nano-indentatie van het beoogde monster op basis van het medium (d.w.z. lucht of vloeistof), verwachte modulus, monstertopografie en relevante objectgroottes (zie de overwegingen voor de selectie van de sonde in de discussie). Laad de sonde op de sondehouder (zie Materiaaltabel) en bevestig de sondehouder aan de AFM-scankop.
  3. Selecteer een geschikte nano-indentatiemodus in de AFM-software die de gebruiker controle biedt over individuele hellingen (d.w.z. krachtverplaatsingscurven).
    OPMERKING: De specifieke modus verschilt per AFM-fabrikant en afzonderlijke instrumenten (zie SOP in het aanvullende materiaal voor meer informatie en een specifiek voorbeeld).
  4. Lijn de laser uit op de achterkant van de sonde, tegenover de locatie van de sondepunt en in de PSD.
    OPMERKING: Zie het voorbeeld van de mesenchymale stamceltoepassing voor meer informatie over belangrijke overwegingen bij het uitlijnen van de laser en het uitvoeren van nano-indentatie in vloeistof, in het bijzonder het vermijden van zwevend puin en / of luchtbellen, die de straal kunnen verstrooien of breken. De AFM-optiek moet mogelijk ook worden aangepast om de brekingsindex van de vloeistof te compenseren en om te voorkomen dat de sonde crasht wanneer deze het oppervlak raakt.
    1. Centreer de laserstraalspot op de achterkant van de cantilever door de somspanning te maximaliseren (figuur 2A).
    2. Centreer de gereflecteerde laserstraalspot op de PSD door de X- en Y-afbuigingssignalen (d.w.z. horizontaal en verticaal) zo dicht mogelijk bij nul te brengen (figuur 2A), waardoor het maximaal detecteerbare doorbuigingsbereik wordt geboden voor het produceren van een uitgangsspanning die evenredig is met de uitkragende doorbuiging.
  5. Als u niet zeker bent van de topografie, oppervlakteruwheid en/of oppervlaktedichtheid van het monster (in het geval van vlokken of deeltjes), voert u een AFM-topografie-enquêtescan uit voorafgaand aan nano-indentatie-experimenten om de geschiktheid van het monster te bevestigen, zoals beschreven in stap 1.1 en het monstervoorbereidingsgedeelte van de discussie.

figure-protocol-1
Figuur 2: Positiegevoelige detectormonitor . (A) PSD-display dat een correct uitgelijnde laser aangeeft die weerkaatst op de achterkant van de sonde en op het midden van de PSD (zoals blijkt uit de grote somspanning en het ontbreken van verticale of horizontale doorbuiging) voordat deze op het monsteroppervlak wordt ingeschakeld (d.w.z. sonde die niet in contact komt met het monster). (B) De verticale doorbuigingsspanning neemt toe wanneer de cantilever wordt afgebogen (bijvoorbeeld wanneer de sonde contact maakt met het monster). Afkortingen: PSD = positiegevoelige detector; VERT = verticaal; HORIZ = horizontaal; AMPL = amplitude; n.v.t. = niet van toepassing. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Kalibratie van de sonde

OPMERKING: Er zijn drie waarden nodig om de mechanische eigenschappen van een monster te kwantificeren met behulp van de F-D-curvegegevens die zijn verzameld tijdens nano-indentatie op basis van cantilever: de doorbuigingsgevoeligheid (DS) van het cantilever/PSD-systeem (nm/V of V/nm), de cantileverveerconstante (nN/nm) en het contactoppervlak van de sonde, vaak uitgedrukt in termen van de effectieve straal van de sondepunt (nm) bij een bepaalde indrukkingsdiepte kleiner dan de sondestraal in het geval van een bolvormige sonde fooi.

  1. Kalibreer de DS van het sonde/AFM-systeem door op een extreem hard materiaal (bijv. saffier, E = 345 GPa) te slaan, zodat de vervorming van het monster tot een minimum wordt beperkt en dus de gemeten Z-beweging van de piëzo na het initiëren van tip-monstercontact uitsluitend wordt omgezet in cantileverafbuiging.
    OPMERKING: De DS-kalibratie moet worden uitgevoerd onder dezelfde omstandigheden als de geplande nano-indentatie-experimenten (d.w.z. temperatuur, medium, enz.) om de DS van het systeem tijdens de experimenten nauwkeurig weer te geven. Een lange (30 min) laseropwarmperiode kan nodig zijn voor maximale nauwkeurigheid om tijd te geven voor het bereiken van thermisch evenwicht en het vaststellen van een stabiel laseruitgangsvermogen en richtstabiliteit. De DS moet opnieuw worden gemeten telkens wanneer de laser opnieuw wordt uitgelijnd, zelfs als dezelfde sonde wordt gebruikt, omdat de DS afhankelijk is van de laserintensiteit en positie op de cantilever, evenals de kwaliteit van de reflectie van de sonde (d.w.z. degradatie van de achterkant van de sonde zal de DS beïnvloeden) en gevoeligheid van de PSD20.
    1. Stel de DS-kalibratie-inspringingen op de saffier in en voer deze uit om ongeveer dezelfde sondeafbuiging (in V of nm) te bereiken als de geplande monsterinkepingen, aangezien de gemeten verplaatsing een functie is van de doorbuigingshoek van de punt en niet-lineair wordt voor grote doorbuigingen.
    2. Bepaal de DS (in nm/V), of als alternatief, de inverse optische hefboomgevoeligheid (in V/nm), uit de helling van het lineaire deel van het contactregime na het eerste contactpunt in de resulterende F-D-curve, zoals weergegeven in figuur 3A.
    3. Herhaal de helling minstens 5x en noteer elke DS-waarde. Gebruik het gemiddelde van de waarden voor maximale nauwkeurigheid. Als de relatieve standaardafwijking (RSD) van de metingen groter is dan ~1%, meet de DS dan opnieuw, omdat de eerste paar F-D-curven soms niet ideaal zijn vanwege de initiële introductie van kleefkrachten.
    4. Als de veerconstante van de sonde, k, niet in de fabriek is gekalibreerd (bijvoorbeeld via laser-Dopplervibrometrie [LDV]), kalibreer dan de veerconstante.
      OPMERKING: De thermische afstemmingsmethode is optimaal voor relatief zachte uitkragingen met k < 10 N/m (zie het gedeelte met de veerconstante van de discussie voor een lijst en beschrijving van alternatieve methoden, met name voor stijve uitkragingen met k > 10 N/m). Zoals weergegeven in figuur 3B, C, is thermische afstemming meestal geïntegreerd in de AFM-besturingssoftware.
  2. Als de sonde niet wordt geleverd met een in de fabriek gekalibreerde tipradiusmeting (bijvoorbeeld via scanning electron microscope [SEM] beeldvorming), meet dan de effectieve tipradius, R.
    OPMERKING: Er zijn twee veelgebruikte methoden voor het meten van de tipradius (zie de bijbehorende discussiesectie), maar de meest voorkomende voor sondetips op nanometerschaal is de blinde tipreconstructie (BTR) -methode, die een ruwheidsstandaard gebruikt (zie Tabel met materialen) met tal van extreem scherpe (sub-nm) kenmerken die dienen om de tip effectief in beeld te brengen, in plaats van de tip die het monster afbeeldt.
    1. Als u de BTR-methode gebruikt, moet u het ruwheidsmonster (tipkarakterisering) afbeelden met behulp van een langzame scansnelheid (<0,5 Hz) en hoge feedbackwinsten om het volgen van de zeer scherpe functies te optimaliseren. Kies een afbeeldingsgrootte en pixeldichtheid (resolutie) op basis van de verwachte tipradius (een afbeelding van 1024 x 1024 pixels van een gebied van 3 μm x 3 μm heeft bijvoorbeeld een zijdelingse resolutie van ~ 3 nm).
    2. Gebruik AFM-beeldanalysesoftware (zie materiaaltabel) om de sondepunt te modelleren en de eindradius en effectieve tipdiameter te schatten bij de verwachte inkepingdiepte van het monster, zoals weergegeven in figuur 3D-F.
  3. Voer na het voltooien van de kalibratie van de sonde de DS-, k- en R-waarden in de instrumentsoftware in, zoals weergegeven in figuur 4A.
    1. Voer een schatting in van de Poisson-verhouding van het monster, ν, om de gemeten gereduceerde modulus om te zetten in de werkelijke monstermodulus9. Als u een conisch of conisferisch contactmechanicamodel gebruikt op basis van de tipvorm en inkepingdiepte, is het ook noodzakelijk om de tiphelfthoek in te voeren (figuur 4C).
      OPMERKING: De modulus is relatief ongevoelig voor kleine fouten of onzekerheden in de geschatte Poisson-verhouding. Een schatting van ν = 0,2-0,3 is voor veel materialen een goed uitgangspunt21.

figure-protocol-2
Figuur 3: Kalibratie van de sonde. (A) Bepaling van de doorbuigingsgevoeligheid. Resultaat van een representatieve doorbuigingsgevoeligheidsmeting uitgevoerd op een saffiersubstraat (E = 345 GPa) voor een standaard tapmodussonde (nominaal k = 42 N/m; zie materiaaltabel) met een reflecterende aluminiumcoating aan de achterkant. Getoond zijn de gemeten naderingscurven (blauw spoor) en intrekken of terugtrekken (rood spoor). De gemeten doorbuigingsgevoeligheid van 59,16 nm/V werd bepaald door de naderingscurve tussen de snap-to-contact- en turn-around-punten aan te passen, zoals aangegeven door het gebied tussen de verticale gestippelde rode lijnen. Het gebied van negatief gaande afbuiging dat zichtbaar is in de intrek-/terugtrekkingscurve voorafgaand aan het aftrekken van het oppervlak, is indicatief voor de hechting van het tipmonster. (B,C) Thermische afstemming. Representatieve cantilever thermische ruisspectra (blauwe sporen) met bijbehorende pasvormen (rode sporen) voor twee verschillende sondes. (B) Thermische afstemmingsinstelling en pasvormparameters voor een standaard op krachtcurve gebaseerde AFM-beeldvormingsonde (zie materiaaltabel) met de nominale veerconstante k = 0,4 N/m als eerste schatting. De pasvorm van het vrijdragende thermische ruisspectrum levert een fundamentele resonantiefrequentie op van f 0 = 79,8 kHz, wat redelijk overeenkomt met de nominale waarde van f0 = 70 kHz. De gemeten Q-factor is 58,1. Goodness of fit (R2 = 0,99) is gebaseerd op overeenstemming van de pasvorm met de gegevens tussen de twee verticale onderbroken rode lijnen. Merk op dat het belangrijk is om zowel de omgevingstemperatuur als de doorbuigingsgevoeligheid te kennen en in te voeren voor nauwkeurige resultaten. (C) Cantilever thermisch geluidsspectrum en overeenkomstige pasvorm (d.w.z. thermische afstemming) met resulterende berekende veerconstante k = 0,105 N/m voor een extreem zachte cantilever die wordt gebruikt voor het uitvoeren van nanomechanische metingen aan levende cellen en geïsoleerde kernen. Let op de aanzienlijk lagere natuurlijke resonantiefrequentie van ~2-3 kHz. (D-F) Blinde tip reconstructie. Representatieve blinde tip reconstructie workflow voor een diamanttip sonde (nominale R = 40 nm; zie Tabel van Materialen). (D) Een afbeelding van 5 μm x 5 μm van een tipkarakteriseringsmonster bestaande uit een reeks extreem scherpe (sub-nm) titanium spikes die dienen om de AFM-sondepunt in beeld te brengen. (E) Resultant gereconstrueerd model (omgekeerde hoogtebeeld) van de sondepunt. F) Resultaten van de montage van blinde punten, met inbegrip van een geschatte eindstraal van R = 29 nm en een effectieve tipdiameter van 40 nm op een door de gebruiker gekozen hoogte van 8 nm (d.w.z. indrukkingsdiepte << R) vanaf de top van de punt, berekend door het contactoppervlak van het tipmonster op die hoogte om te zetten in een effectieve diameter, uitgaande van een cirkelvormig profiel (d.w.z. A = πr 2 = π(d/2)2) voor gebruik met sferische contactmechanicamodellen. Afkortingen: AFM = atoomkrachtmicroscopie; ETD = effectieve tipdiameter. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-3
Figuur 4: Software interface ingangen. (A) Kalibratieconstanten van de sonde. Software-gebruikersinterface (zie materiaaltabel) om gemeten doorbuigingsgevoeligheid, veerconstante en tipradius in te voeren om kwantitatieve nanomechanische metingen mogelijk te maken. De Poisson-verhouding van zowel de sonde als het monster is nodig voor het berekenen van het elastische of Young's modulus van het monster uit de op cantilever gebaseerde nano-indentatiekrachtcurven. (B) Venster voor oprijplaatbesturing. Software-gebruikersinterface (zie materiaaltabel) voor het opzetten van op cantilever gebaseerde nano-indentatie-experimenten, georganiseerd in de parameters die de helling zelf beschrijven (d.w.z. inspringingsprofiel), instrumentactivering (bijv. Kracht versus verplaatsingsregeling), daaropvolgende krachtanalyse en bewegingslimieten (om de meetgevoeligheid te verbeteren door het bereik te verkleinen waarover de A / D-converter moet werken bij het regelen van de Z-piëzo en het lezen van de PSD-afbuiging). (C) De halve tiphoek (gebaseerd op de geometrie van de sonde of directe meting) is belangrijk als een conisch, piramidaal of conisferisch contactmechanicamodel (bijv. Sneddon) wordt gebruikt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Verzamel gegevens over krachtverplaatsing (F-D)

OPMERKING: De hier weergegeven parameterwaarden (zie figuur 4B) kunnen variëren afhankelijk van de kracht en het indrukkingsbereik voor een bepaald monster.

  1. Navigeer het voorbeeld onder het AFM-hoofd en ga in op het gewenste interessegebied.
    1. Bewaak het verticale doorbuigingssignaal (figuur 2B) of voer een kleine (~50-200 nm) initiële helling uit (figuur 4B) om te controleren of de tip en het monster met elkaar in contact zijn (zie figuur 5A).
    2. Stel de AFM-koppositie iets naar boven in (in stappen die overeenkomen met ~ 50% van de volledige oprijplaatgrootte) en opnieuw oprijplaat. Herhaal dit totdat de punt en het monster net geen contact meer hebben, zoals blijkt uit een bijna vlakke helling (figuur 5B) en minimale verticale doorbuiging van de uitkraging (figuur 2A).
    3. Zodra er geen duidelijke interactie tussen tip en monster aanwezig is (vergelijk figuur 2A en figuur 2B), verlaagt u de AFM-kop met een hoeveelheid die overeenkomt met ~ 50% -100% van de hellinggrootte om ervoor te zorgen dat de sondepunt niet tegen het monster botst terwijl u de AFM-kop handmatig beweegt. Ramp opnieuw, herhaal totdat een goede curve (figuur 5D) of een curve vergelijkbaar met figuur 5C wordt waargenomen. Voer in het laatste geval één extra kleine AFM-kopverlagingsaanpassing uit die gelijk is aan ~ 20% -50% van de hellinggrootte om een goed contact en een krachtcurve te bereiken die vergelijkbaar is met die in figuur 5D.
  2. Pas de parameters van de helling aan (zoals hieronder beschreven en weergegeven in Figuur 4B) om te optimaliseren voor het instrument, de sonde en het monster, en om hellingen te verkrijgen die vergelijkbaar zijn met die in Figuur 5D.
    1. Selecteer een geschikte hellinggrootte (d.w.z. totale Z-piëzobeweging door één hellingcyclus) afhankelijk van het monster (bijv. dikte, verwachte modulus, oppervlakteruwheid) en gewenste inkepingsdiepte.
      OPMERKING: Voor stijvere monsters is het waarschijnlijk dat er minder monstervervorming (en dus meer sondeafbuiging voor een bepaalde Z-piëzobeweging) optreedt, dus de hellingsgrootte kan over het algemeen kleiner zijn dan voor zachtere monsters. Typische hellingmaten voor stijve monsters en cantilevers kunnen tientallen nm zijn, terwijl voor zachte monsters en cantilevers hellingen honderden nm tot een paar μm groot kunnen zijn; Specifieke geselecteerde toepassingsvoorbeelden worden gepresenteerd in de sectie Representatieve resultaten. Houd er rekening mee dat minimale en maximaal mogelijke hellingmaten instrumentafhankelijk zijn.
    2. Selecteer een geschikte rampsnelheid (1 Hz is een goed startpunt voor de meeste samples).
      OPMERKING: De hellingsnelheid kan worden beperkt door elektronische snelheden/bandbreedtes voor besturing en/of detectie. In combinatie met de oprijplaatgrootte bepaalt de hellingsnelheid de tipsnelheid. De tipsnelheid is vooral belangrijk om te overwegen bij het inspringen van zachte materialen waar visco-elastische effecten hystereseartefacten kunnen veroorzaken 9,22.
    3. Kies of u een geactiveerde (belastinggestuurde) of niet-getriggerde (verplaatsingsgestuurde) oprijplaat wilt gebruiken.
      OPMERKING: Bij een geactiveerde helling nadert het systeem het monster in door de gebruiker gedefinieerde stappen (op basis van de grootte en resolutie van de helling of het aantal gegevenspunten) totdat de gewenste triggerdrempel (d.w.z. instelpuntkracht of cantileverafbuiging) wordt gedetecteerd, waarna het systeem zich terugtrekt naar zijn oorspronkelijke positie en de F-D-curve weergeeft. In een niet-getriggerde helling verlengt het systeem eenvoudig de Z-piëzo de afstand die is opgegeven door de door de gebruiker gedefinieerde hellinggrootte en geeft het de gemeten F-D-curve weer. Getriggerde hellingen hebben de voorkeur voor de meeste gebruikssituaties, maar niet-getriggerde oprijplaten kunnen nuttig zijn bij het onderzoeken van zachte materialen die geen scherp, gemakkelijk identificeerbaar contactpunt vertonen.
      1. Als een geactiveerde helling wordt gekozen, stelt u de triggerdrempel (door de gebruiker gedefinieerde maximaal toegestane kracht of doorbuiging van de helling) in om de gewenste inspringing in het monster te verkrijgen.
        OPMERKING: Het gebruik van een triggerdrempel betekent dat een helling kan eindigen (d.w.z. dat de sonde kan beginnen in te trekken) voordat de volledige oprijplaat (Z-piëzo-extensie) is bereikt. Waarden kunnen variëren van enkele nN tot enkele μN, afhankelijk van het tip-sample systeem.
      2. Stel de hellingpositie in om het deel van het maximale bereik van de Z-piëzo te bepalen dat zal worden gebruikt om de oprit uit te voeren. Zorg ervoor dat het totale bereik van de hellinggrootte niet begint of eindigt buiten het maximale Z-piëzobereik (zie representatieve voorbeelden in figuur 6), anders vertegenwoordigt een deel van de F-D-curve geen fysieke meting (d.w.z. de Z-piëzo wordt volledig uitgeschoven of ingetrokken en beweegt niet).
    4. Stel het aantal monsters/helling in (bijv. 512 monsters/helling ) om de gewenste resolutie van de meting te bereiken (d.w.z. puntdichtheid van de F-D-curve).
      OPMERKING: De maximale samples/ramp kunnen worden beperkt door software (bestandsgrootte) of hardwarebeperkingen (bijv. analoog naar digitaal [A/D] conversiesnelheid, afhankelijk van de rampsnelheid). Het is ook mogelijk om het toegestane Z-piëzo- of doorbuigingsbereik te beperken (zie limietparameters in figuur 4B) om de effectieve resolutie van de A/D-converter van het systeem te verhogen.
    5. Stel de X-rotatie in om de schuifkrachten op het monster en de punt te verminderen door de sonde tegelijkertijd iets in de X-richting te bewegen (parallel aan de cantilever) terwijl de sonde in de Z-richting inspringt (loodrecht op de cantilever). Gebruik een waarde voor de X-rotatie die gelijk is aan de offsethoek van de sondehouder ten opzichte van het normale oppervlak (12° is typisch).
      OPMERKING: De X-rotatie is nodig omdat de cantilever in de sondehouder is gemonteerd onder een kleine hoek ten opzichte van het oppervlak om de invallende laserstraal in de PSD te laten reflecteren. Bovendien kunnen de voor- en achterhoeken van de sondepunt van elkaar verschillen (d.w.z. de sondepunt kan asymmetrisch zijn). Meer specifieke informatie kan worden verkregen bij individuele sonde- en AFM-fabrikanten.

figure-protocol-4
Figuur 5: Optimaliseren van tip-sample scheiding na het inschakelen om goede krachtcurven te verkrijgen. Opeenvolgende voorbeelden van representatieve krachtverplaatsingscurven verkregen tijdens het inspringen in vloeistof (fosfaat-gebufferde zoutoplossing) op een levende mesenchymale stamcelkern met een gekalibreerde zachte siliciumnitride cantilever (nominaal k = 0,04 N/m) eindigend in een hemisferische punt met een straal van 5 μm (zie tabel met materialen). Curven werden verkregen tijdens het inschakelen van het celoppervlak en het optimaliseren van de indrukkingsparameters, waarbij de sondebenadering in blauw werd weergegeven en in rood werd ingetrokken / teruggetrokken. (A) De punt is al ingeschakeld en in contact met het monster voordat de hellingbaan begint, wat leidt tot grote uitkragende doorbuiging en krachten, zonder vlakke voorcontactbasislijn. (B) Nadat de punt handmatig voldoende ver van het monster is verplaatst, resulteert een niet-getriggerde helling van 2 μm in een F-D-curve die bijna vlak is (d.w.z. vrijwel geen verandering in kracht). In omgevingsomstandigheden zou de curve vlakker zijn, maar in vloeistof kan de viscositeit van het medium lichte afbuigingen van de sondecantilever veroorzaken tijdens een helling zoals hier te zien is, zelfs zonder oppervlaktecontact. (C) Nadat de naderings- en intrekbochten iets dichter bij het oppervlak zijn gekomen voordat aan de oprijplaat wordt begonnen, vertonen zij een lichte toename van de kracht (verhoogde helling) in de buurt van het keerpunt van de oprijplaat (d.w.z. overgang van nadering naar terugtrekken). Het veelbetekenende teken om naar te zoeken is dat de naderingscurven (blauw) en teruggetrokken (rood) elkaar beginnen te overlappen (gebied aangegeven door de zwarte cirkel), wat wijst op een fysieke interactie met het oppervlak. (D) Een ideale F-D-curve die wordt verkregen na optimalisatie van de rampparameters en iets (~ 1 μm) dichter bij het celoppervlak nadert dan in C , zodat de sonde ongeveer de helft van de helling in contact met de cel doorbrengt, waardoor voldoende vervorming mogelijk is om in het contactgedeelte van de naderingscurve te passen en de elastische modulus te bepalen. De relatief lange, vlakke, ruisarme basislijn maakt het voor het aanpassingsalgoritme gemakkelijker om het contactpunt te bepalen. Afkorting: F-D = krachtverplaatsing. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-5
Figuur 6: Grootte en positie van de hellingbaan. Z-piëzomonitor toont de omvang van de helling (blauwe balk) ten opzichte van het totale beschikbare Z-piëzo-bewegingsbereik (groene balk). (A) De Z-piëzopositie bevindt zich in het midden van zijn bewegingsbereik, zoals wordt aangegeven door zowel de blauwe balk die zich ongeveer in het midden van de groene balk bevindt als de huidige Z-piëzospanning (-78,0 V) die ruwweg tussen de volledig ingetrokken (-212,2 V) en uitgebreide (+102,2 V) waarden ligt. (B) Z-piëzo is verlengd ten opzichte van A, zonder dat er een biasspanning wordt toegepast. (C) Z-piëzo wordt ingetrokken ten opzichte van A en B. (D) De Z-piëzopositie is hetzelfde als in C bij -156,0 V, maar de hellingsgrootte is vergroot ten opzichte van A-C om te profiteren van meer van het volledige bewegingsbereik van de Z-piëzo. € De oprijplaatmaat is te groot voor de huidige hellingpositie, waardoor de Z-piëzo wordt verlengd tot het einde van zijn bereik. Dit zal ervoor zorgen dat de F-D-curve vlak wordt, omdat het systeem de Z-piëzo niet verder kan verlengen. Afkorting: F-D = krachtverplaatsing. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

4. F-D curve analyse

  1. Kies een geschikt softwarepakket voor gegevensanalyse. Selecteer en laad de te analyseren gegevens.
    OPMERKING: Veel AFM-fabrikanten en AFM-beeldverwerkingssoftwareprogramma's hebben ingebouwde ondersteuning voor F-D-curveanalyse. Als alternatief kunnen de verhoogde flexibiliteit en functies van een speciaal F-D-curveanalysepakket, zoals het open source AtomicJ-softwarepakket, gunstig zijn23, met name voor batchverwerking en statistische analyse van grote datasets of het implementeren van complexe contactmechanicamodellen.
  2. Voer gekalibreerde waarden in voor de veerconstante, DS en de straal van de sondepunt, samen met schattingen van de Young-modulus en de Poisson-verhouding voor de sondepunt (op basis van de materiaalsamenstelling) en de Poisson-verhouding van het monster.
    OPMERKING: Bij gebruik van een diamantpunt indrukking kunnen de waarden E tip = 1140 GPa en ν tip = 0,07 worden gebruikt21,24,25,26. Voor een standaard siliciumsonde kunnen meestal E-tip = 170 GPa en ν-tip = 0,27 worden gebruikt, hoewel de Young-modulus van silicium varieert afhankelijk van de kristallografische oriëntatie27.
  3. Kies een nano-indentatiecontactmechanicamodel dat geschikt is voor de tip en het monster.
    OPMERKING: Voor de vele gangbare bolvormige tipmodellen (bijv. Hertz, Maugis, DMT, JKR) is het noodzakelijk dat de indrukkingsdiepte in het monster kleiner is dan de tipradius; anders maakt de bolvormige geometrie van de sondepunt plaats voor een conische of piramidale vorm (figuur 4C). Voor conische (bijv. Sneddon28) en piramidale modellen, de punthelfthoek (d.w.z. de hoek tussen de zijwand van de punt en een snijdende lijn loodrecht op het puntuiteinde; Figuur 4C) moet bekend zijn en is meestal verkrijgbaar bij de fabrikant van de sonde. Voor meer informatie over contactmechanicamodellen, zie de sectie Data-analyse van thedDiscussion.
  4. Voer het aanpassingsalgoritme uit. Controleer op de juiste pasvorm van de F-D-curven; een lage restfout die overeenkomt met een gemiddelde R 2 in de buurt van eenheid (bijv. R2 > 0,9) is typisch indicatief voor een goede pasvorm met het gekozen model29,30. Controleer steekproefsgewijs individuele curven om de curve, de pasvorm van het model en de berekende contactpunten indien gewenst visueel te inspecteren (zie bijvoorbeeld figuur 7 en het gedeelte Gegevensanalyse van de discussie).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Kracht-verplaatsingscurven
Figuur 7 toont representatieve, bijna ideale F-D-curven verkregen uit nano-indentatie-experimenten uitgevoerd in lucht op in hars ingebedde loblolly-dennenmonsters (figuur 7A) en in vloeistof (fosfaat-gebufferde zoutoplossing [PBS]) op mesenchymale stamcelkernen (MSC) (figuur 7B). Het gebruik van elk contactmechanicamodel is afhankelijk van de nauwkeurige en betrouwbare bepaling van het...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Monstervoorbereiding
Voor nano-indentatie in lucht omvatten gebruikelijke bereidingsmethoden cryosectie (bijv. weefselmonsters), slijpen en / of polijsten gevolgd door ultramicrotoming (bijv. In hars ingebedde biologische monsters), ionenfrezen of voorbereiding van gerichte ionenbundels (bijv. halfgeleider-, poreuze of gemengde hardheidsmonsters die niet geschikt zijn voor polijsten), mechanisch of elektrochemisch polijsten (bijv. Metaallegeringen) of dunnefilmafzetting (bijv. Atomaire laag of chemisc...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben geen belangenconflicten bekend te maken.

Dankbetuigingen

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

Alle AFM-experimenten zijn uitgevoerd in het Boise State University Surface Science Laboratory (SSL). SEM-karakterisering werd uitgevoerd in het Boise State Center for Materials Characterization (BSCMC). Onderzoek gerapporteerd in deze publicatie met betrekking tot grondstoffen voor biobrandstoffen werd gedeeltelijk ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Bioenergy Technologies Office als onderdeel van het Feedstock Conversion Interface Consortium (FCIC) en onder DOE Idaho Operations Office Contract DE-AC07-051ID14517. Celmechanicastudies werden ondersteund door de National Institutes of Health (VS) onder subsidies AG059923, AR075803 en P20GM109095, en door subsidies van de National Science Foundation (VS) 1929188 en 2025505. Het model lipide bilayer systemen werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (USA) onder subsidie R01 EY030067. De auteurs bedanken Dr. Elton Graugnard voor het produceren van de samengestelde afbeelding in figuur 11.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Atomic force microscopeBrukerDimension IconGebruikt Nanoscope besturingssoftware, inclusief PeakForce Quantitative Nanomechanical Mapping (PF-QNM), FastForce Volume (FFV) en Point-and-Shoot Ramping experimentele werkruimten
AtomicJAmerican Institute of Physicshttps://doi.org/10.1063/1.4881683Flexibel, krachtig, gratis open-source Java-gebaseerd force curve analysesoftwarepakket. Ondersteunt tal van contactmechanicamodellen, zoals Hertz, Sneddon DMT, JKR, Maugis en kegel of piramide (inclusief stomp en afgeknot). Bevat ook een verscheidenheid aan methoden voor het schatten van de eerste contactpunt om uit te kiezen. Ondersteunt batchverwerking van gegevens en daaropvolgende statistische analyse (bijv. gemiddelden, standaardafwijkingen, histogrammen, goedheid van pasvorm, enz.). Literatuurcitatie is: P. Hermanowicz, M. Sarna, K. Burda en H. Gabryfigure-materials-1, “AtomicJ: een open-source software voor analyse van krachtcurven” Rev. Sci. Instrum. 85: 063703 (2014), https://doi.org/10.1063/1.4881683
Bufferoplossing (PBS)Fisher Chemical (NaCl), Sigma Aldrich (KCl), Fisher BioReagents (Na2HPO4 en KH2PO4)S271 (>99% zuivere NaCl), P9541 (>99% zuivere KCl), BP332(>99% zuivere Na2HPO4), BP362 (>99% zuivere KH2PO4)Fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS) werd in het laboratorium bereid als een waterige oplossing bestaande uit 137 mM NaCl, 2,7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4 en 1,8 mM KH2PO4 opgelost in ultrapuur water. Reagentia werden afgemeten met behulp van een analytische weegschaal, en het glaswerk werd onmiddellijk voor gebruik schoongemaakt met zeep en water, gevolgd door autoclavage.
Chloroform
Diamantpunt AFM-sondeBrukerPDNISPVooraf gemonteerde, in de fabriek gekalibreerde kubushoekdiamant (E = 1140 GPa) tip AFM-sonde (nominaal R = 40 nm) met een roestvrijstalen cantilever (nominaal k = 225 N/m, f0 = 50 kHz). De veerconstante wordt gemeten in de fabriek (k = 256 N/m voor de sonde, serienummer #13435414, hier gebruikt) en kalibratiegegevens (inclusief AFM-beelden van indrukken die de sondegeometrie tonen) worden geleverd met de sonde.
Diamant ultramicrotoombladDiatomeUltra 35°2,1 mm breed. Gebruikte ook een standaard glasblad voor de eerste ruwe snede van het monstersoppervlak voordat overgeschakeld werd naar diamantblad voor de laatste oppervlaktevoorbereiding
EpoxyGorilla Glue26853-31-6Epoxyhars en verharder werden gemengd in een 1:1 verhouding, een kleine druppel werd geplaatst op een roestvrijstalen monsterschijf (Ted Pella) en V1-graad muscovietmica (Ted Pella) werd bevestigd om een atomaal vlak oppervlak te creëren voor de voorbereiding van fosfolipidemembraan.
Ethanol
LR witte hars, middelste kwaliteit (gekatalyzeerd)Electron Microscopy Sciences14381500 mL fles, lot #150629
Mesenchymale stamcellen (MSC's)N/AN/AMSC's voor nanomechanische studies waren primaire cellen geoogst van 8-10 weken oude mannelijke C57BL/6 muizen zoals beschreven in 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 en Peister, A. et al. "Adult stem cells from bone marrow (MSCs) isolated from different strains of inbred mice vary in surface epitopes, rates of proliferation, and differentiation potential" Blood 103: 1662-1668 (2004), doi:10.1182/blood-2003-09-3070.
Modulus standaardenBrukerPFQNM-SMPKIT-12MGebruikte HOPG (E = 18 GPa) en PS (E = 2,7 GPa). Bevat ook 2x PDMS (Tack 0, E = 2,5 MPa; Tack 4, E = 3,5 MPa), PS-LDPE (E = 2,0/0,2 GPa), gesmolten silica (E = 72,9 GPa), saffier (E - 345 GPa) en tipkarakterisering (titanium ruwheid) monster. Alle monsters worden vooraf gemonteerd op een stalen schijf met een diameter van 12 mm (monsterschijf).
MuscovietmicaTed Pella50-1212 mm diameter, V1-graad muscovietmica
Nanscope AnalyseBrukerVersie 2.0Gratis AFM-beeldverwerkings- en analysesoftwarepakket, maar ontworpen voor, en eigendom van/beperkt tot Bruker AFM's; vergelijkbare functionaliteit is beschikbaar van gratis, platformonafhankelijke AFM-beeldverwerkings- en analysesoftwarepakketten zoals Gwyddion, WSxM en anderen. Heeft ingebouwde mogelijkheden voor krachtcurveanalyse, maar AtomicJ is flexibeler/vollediger (bijv. meer ingebouwde contactmechanicamodellen om uit te kiezen, statistische analyse van krachtcurve-fittingresultaten, enz.) voor krachtcurveanalyse en behandeling van batchverwerk

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Hart, E. W. Theory of the tensile test. Acta Metallurgica. 15 (2), 351-355 (1967).
  2. Fell, J. T., Newton, J. M. Determination of tablet strength by the diametral-compression test. Journal of Pharmaceutical Sciences. 59 (5), 688-691 (1970).
  3. Babiak, M., Gaff, M., Sikora, A., Hysek, Š Modulus of elasticity in three- and four-point bending of wood. Composite Structures. 204, 454-465 (2018).
  4. Song, S., Yovanovich, M. M. Relative contact pressure-Dependence on surface roughness and Vickers microhardness. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2 (1), 43-47 (1988).
  5. Hays, C., Kendall, E. G. An analysis of Knoop microhardness. Metallography. 6 (4), 275-282 (1973).
  6. Hill, R., Storåkers, B., Zdunek, A. B. A theoretical study of the Brinell hardness test. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 423 (1865), 301-330 (1989).
  7. Oliver, W. C., Pharr, G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research. 7 (6), 1564-1583 (1992).
  8. Sakharova, N. A., Fernandes, J. V., Antunes, J. M., Oliveira, M. C. Comparison between Berkovich, Vickers and conical indentation tests: A three-dimensional numerical simulation study. International Journal of Solids and Structures. 46 (5), 1095-1104 (2009).
  9. Cohen, S. R., Kalfon-Cohen, E. Dynamic nanoindentation by instrumented nanoindentation and force microscopy: a comparative review. Beilstein Journal of Nanotechnology. 4 (1), 815-833 (2013).
  10. Saha, R., Nix, W. D. Effects of the substrate on the determination of thin film mechanical properties by nanoindentation. Acta Materialia. 50 (1), 23-38 (2002).
  11. Tsui, T. Y., Pharr, G. M. Substrate effects on nanoindentation mechanical property measurement of soft films on hard substrates. Journal of Materials Research. 14 (1), 292-301 (1999).
  12. Cao, G., Gao, H. Mechanical properties characterization of two-dimensional materials via nanoindentation experiments. Progress in Materials Science. 103, 558-595 (2019).
  13. Castellanos-Gomez, A., Singh, V., vander Zant, H. S. J., Steele, G. A. Mechanics of freely-suspended ultrathin layered materials. Annalen der Physik. 527 (1-2), 27-44 (2015).
  14. Cao, C., Sun, Y., Filleter, T. Characterizing mechanical behavior of atomically thin films: A review. Journal of Materials Research. 29 (3), 338-347 (2014).
  15. Lee, C., Wei, X., Kysar, J. W., Hone, J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science. 321 (5887), 385-388 (2008).
  16. Elibol, K., et al. Visualising the strain distribution in suspended two-dimensional materials under local deformation. Scientific Reports. 6 (1), 28485(2016).
  17. Castellanos-Gomez, A., et al. Mechanical properties of freely suspended atomically thin dielectric layers of mica. Nano Research. 5 (8), 550-557 (2012).
  18. Song, L., et al. Large scale growth and characterization of atomic hexagonal boron nitride layers. Nano Letters. 10 (8), 3209-3215 (2010).
  19. Castellanos-Gomez, A., et al. Elastic properties of freely suspended MoS2 nanosheets. Advanced Materials. 24 (6), 772-775 (2012).
  20. D'Costa, N. P., Hoh, J. H. Calibration of optical lever sensitivity for atomic force microscopy. Review of Scientific Instruments. 66 (10), 5096-5097 (1995).
  21. Wu, Y., et al. Evaluation of elastic modulus and hardness of crop stalks cell walls by nano-indentation. Bioresource Technology. 101 (8), 2867-2871 (2010).
  22. Barns, S., et al. Investigation of red blood cell mechanical properties using AFM indentation and coarse-grained particle method. BioMedical Engineering OnLine. 16 (1), 140(2017).
  23. Hermanowicz, P., Sarna, M., Burda, K., Gabryś, H. AtomicJ: An open source software for analysis of force curves. Review of Scientific Instruments. 85 (6), 063703(2014).
  24. Broitman, E. Indentation hardness measurements at macro-, micro-, and nanoscale: a critical overview. Tribology Letters. 65 (1), 23(2016).
  25. Tiwari, A. Nanomechanical Analysis of High Performance Materials. , Springer. Netherlands. (2015).
  26. Aggarwal, R. L., Ramdas, A. K. Physical Properties of Diamond and Sapphire. , CRC Press. (2019).
  27. Boyd, E. J., Uttamchandani, D. Measurement of the anisotropy of Young's modulus in single-crystal silicon. Journal of Microelectromechanical Systems. 21 (1), 243-249 (2012).
  28. Harding, J. W., Sneddon, I. N. The elastic stresses produced by the indentation of the plane surface of a semi-infinite elastic solid by a rigid punch. Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 41 (1), 16-26 (2008).
  29. Lin, D. C., Dimitriadis, E. K., Horkay, F. Robust strategies for automated AFM force curve analysis-I. Non-adhesive indentation of soft, inhomogeneous materials. Journal of Biomechanical Engineering. 129 (3), 430-440 (2006).
  30. Lin, D. C., Dimitriadis, E. K., Horkay, F. Robust strategies for automated AFM force curve analysis-II: Adhesion-influenced indentation of soft, elastic materials. Journal of Biomechanical Engineering. 129 (6), 904-912 (2007).
  31. Haile, S., Palmer, M., Otey, A. Potential of loblolly pine: switchgrass alley cropping for provision of biofuel feedstock. Agroforestry Systems. 90 (5), 763-771 (2016).
  32. Lu, X., et al. Biomass logistics analysis for large scale biofuel production: Case study of loblolly pine and switchgrass. Bioresource Technology. 183, 1-9 (2015).
  33. Susaeta, A., Lal, P., Alavalapati, J., Mercer, E., Carter, D. Economics of intercropping loblolly pine and switchgrass for bioenergy markets in the southeastern United States. Agroforestry Systems. 86 (2), 287-298 (2012).
  34. Garcia, R. Nanomechanical mapping of soft materials with the atomic force microscope: methods, theory and applications. Chemical Society Reviews. 49 (16), 5850-5884 (2020).
  35. Derjaguin, B. V., Muller, V. M., Toporov, Y. P. Effect of contact deformations on the adhesion of particles. Journal of Colloid and Interface Science. 53 (2), 314-326 (1975).
  36. Ciesielski, P. N., et al. Engineering plant cell walls: tuning lignin monomer composition for deconstructable biofuel feedstocks or resilient biomaterials. Green Chemistry. 16 (5), 2627-2635 (2014).
  37. Liu, K., Ostadhassan, M., Zhou, J., Gentzis, T., Rezaee, R. Nanoscale pore structure characterization of the Bakken shale in the USA. Fuel. 209, 567-578 (2017).
  38. Maryon, O. O., et al. Co-localizing Kelvin probe force microscopy with other microscopies and spectroscopies: selected applications in corrosion characterization of alloys. JoVE. (184), e64102(2022).
  39. Eliyahu, M., Emmanuel, S., Day-Stirrat, R. J., Macaulay, C. I. Mechanical properties of organic matter in shales mapped at the nanometer scale. Marine and Petroleum Geology. 59, 294-304 (2015).
  40. Li, C., et al. Nanomechanical characterization of organic matter in the Bakken formation by microscopy-based method. Marine and Petroleum Geology. 96, 128-138 (2018).
  41. Bouzid, T., et al. The LINC complex, mechanotransduction, and mesenchymal stem cell function and fate. Journal of Biological Engineering. 13 (1), 68(2019).
  42. Dupont, S., et al. Role of YAP/TAZ in mechanotransduction. Nature. 474 (7350), 179-183 (2011).
  43. Wang, S., et al. CCM3 is a gatekeeper in focal adhesions regulating mechanotransduction and YAP/TAZ signalling. Nature Cell Biology. 23 (7), 758-770 (2021).
  44. Sen, B., et al. Mechanical strain inhibits adipogenesis in mesenchymal stem cells by stimulating a durable β-catenin signal. Endocrinology. 149 (12), 6065-6075 (2008).
  45. Sen, B., et al. mTORC2 regulates mechanically induced cytoskeletal reorganization and lineage selection in marrow-derived mesenchymal stem cells. Journal of Bone and Mineral Research. 29 (1), 78-89 (2014).
  46. Sen, B., et al. Mechanically induced nuclear shuttling of β-catenin requires co-transfer of actin. Stem Cells. 40 (4), 423-434 (2022).
  47. Newberg, J., et al. Isolated nuclei stiffen in response to low intensity vibration. Journal of Biomechanics. 111, 110012(2020).
  48. Ding, Y., Xu, G. -K., Wang, G. -F. On the determination of elastic moduli of cells by AFM based indentation. Scientific Reports. 7 (1), 45575(2017).
  49. Khadka, N. K., Timsina, R., Rowe, E., O'Dell, M., Mainali, L. Mechanical properties of the high cholesterol-containing membrane: An AFM study. Biochimica et Biophysica Acta. Biomembranes. 1863 (8), 183625(2021).
  50. Castellana, E. T., Cremer, P. S. Solid supported lipid bilayers: From biophysical studies to sensor design. Surface Science Reports. 61 (10), 429-444 (2006).
  51. Qian, L., Zhao, H. Nanoindentation of soft biological materials. Micromachines. 9 (12), 654(2018).
  52. Pittenger, B., Yablon, D. Improving the accuracy of nanomechanical measurements with force-curve-based AFM techniques. Bruker Application Notes. 149, (2017).
  53. Vorselen, D., Kooreman, E. S., Wuite, G. J. L., Roos, W. H. Controlled tip wear on high roughness surfaces yields gradual broadening and rounding of cantilever tips. Scientific Reports. 6 (1), 36972(2016).
  54. Bhaskaran, H., et al. Ultralow nanoscale wear through atom-by-atom attrition in silicon-containing diamond-like carbon. Nature Nanotechnology. 5 (3), 181-185 (2010).
  55. Giannazzo, F., Schilirò, E., Greco, G., Roccaforte, F. Conductive atomic force microscopy of semiconducting transition metal dichalcogenides and heterostructures. Nanomaterials. 10 (4), 803(2020).
  56. Melitz, W., Shen, J., Kummel, A. C., Lee, S. Kelvin probe force microscopy and its application. Surface Science Reports. 66 (1), 1-27 (2011).
  57. Kazakova, O., et al. Frontiers of magnetic force microscopy. Journal of Applied Physics. 125 (6), 060901(2019).
  58. Kim, H. -J., Yoo, S. -S., Kim, D. -E. Nano-scale wear: A review. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 13 (9), 1709-1718 (2012).
  59. Heath, G. R., et al. Localization atomic force microscopy. Nature. 594 (7863), 385-390 (2021).
  60. Strahlendorff, T., Dai, G., Bergmann, D., Tutsch, R. Tip wear and tip breakage in high-speed atomic force microscopes. Ultramicroscopy. 201, 28-37 (2019).
  61. Lantz, M. A., et al. Wear-resistant nanoscale silicon carbide tips for scanning probe applications. Advanced Functional Materials. 22 (8), 1639-1645 (2012).
  62. Khurshudov, A. G., Kato, K., Koide, H. Wear of the AFM diamond tip sliding against silicon. Wear. 203, 22-27 (1997).
  63. Villarrubia, J. S. Algorithms for scanned probe microscope image simulation, surface reconstruction, and tip estimation. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 102 (4), 425(1997).
  64. Kain, L., et al. Calibration of colloidal probes with atomic force microscopy for micromechanical assessment. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 85, 225-236 (2018).
  65. Slattery, A. D., Blanch, A. J., Quinton, J. S., Gibson, C. T. Accurate measurement of Atomic Force Microscope cantilever deflection excluding tip-surface contact with application to force calibration. Ultramicroscopy. 131, 46-55 (2013).
  66. Dobrovinskaya, E. R., Lytvynov, L. A., Pishchik, V. Sapphire: Material, Manufacturing, Applications. , Springer US. (2009).
  67. te Riet, J., et al. Interlaboratory round robin on cantilever calibration for AFM force spectroscopy. Ultramicroscopy. 111 (12), 1659-1669 (2011).
  68. Pratt, J. R., Shaw, G. A., Kumanchik, L., Burnham, N. A. Quantitative assessment of sample stiffness and sliding friction from force curves in atomic force microscopy. Journal of Applied Physics. 107 (4), 044305(2010).
  69. Slattery, A. D., Blanch, A. J., Quinton, J. S., Gibson, C. T. Calibration of atomic force microscope cantilevers using standard and inverted static methods assisted by FIB-milled spatial markers. Nanotechnology. 24 (1), 015710(2012).
  70. Higgins, M. J., et al. Noninvasive determination of optical lever sensitivity in atomic force microscopy. Review of Scientific Instruments. 77 (1), 013701(2006).
  71. Lévy, R., Maaloum, M. Measuring the spring constant of atomic force microscope cantilevers: thermal fluctuations and other methods. Nanotechnology. 13 (1), 33-37 (2001).
  72. Sikora, A. Quantitative normal force measurements by means of atomic force microscopy towards the accurate and easy spring constant determination. Nanoscience and Nanometrology. 2 (1), 8-29 (2016).
  73. Ohler, B. Cantilever spring constant calibration using laser Doppler vibrometry. Review of Scientific Instruments. 78 (6), 063701(2007).
  74. Gates, R. S., Pratt, J. R. Accurate and precise calibration of AFM cantilever spring constants using laser Doppler vibrometry. Nanotechnology. 23 (37), 375702(2012).
  75. Cleveland, J. P., Manne, S., Bocek, D., Hansma, P. K. A nondestructive method for determining the spring constant of cantilevers for scanning force microscopy. Review of Scientific Instruments. 64 (2), 403-405 (1993).
  76. Sader, J. E., Chon, J. W. M., Mulvaney, P. Calibration of rectangular atomic force microscope cantilevers. Review of Scientific Instruments. 70 (10), 3967-3969 (1999).
  77. Sader, J. E., et al. Spring constant calibration of atomic force microscope cantilevers of arbitrary shape. Review of Scientific Instruments. 83 (10), 103705(2012).
  78. Sader, J. E. Frequency response of cantilever beams immersed in viscous fluids with applications to the atomic force microscope. Journal of Applied Physics. 84 (1), 64-76 (1998).
  79. Sader, J. E., Pacifico, J., Green, C. P., Mulvaney, P. General scaling law for stiffness measurement of small bodies with applications to the atomic force microscope. Journal of Applied Physics. 97 (12), 124903(2005).
  80. Mendels, D. -A., et al. Dynamic properties of AFM cantilevers and the calibration of their spring constants. Journal of Micromechanics and Microengineering. 16 (8), 1720-1733 (2006).
  81. Gao, S., Brand, U. In-situ nondestructive characterization of the normal spring constant of AFM cantilevers. Measurement Science and Technology. 25 (4), 044014(2014).
  82. Gibson, C. T., Watson, G. S., Myhra, S. Determination of the spring constants of probes for force microscopy/spectroscopy. Nanotechnology. 7 (3), 259-262 (1996).
  83. Gates, R. S., Pratt, J. R. Prototype cantilevers for SI-traceable nanonewton force calibration. Measurement Science and Technology. 17 (10), 2852-2860 (2006).
  84. Neumeister, J. M., Ducker, W. A. Lateral, normal, and longitudinal spring constants of atomic force microscopy cantilevers. Review of Scientific Instruments. 65 (8), 2527-2531 (1994).
  85. Kim, M. S., Choi, I. M., Park, Y. K., Kang, D. I. Atomic force microscope probe calibration by use of a commercial precision balance. Measurement. 40 (7), 741-745 (2007).
  86. Kim, M. -S., Choi, J. -H., Park, Y. -K., Kim, J. -H. Atomic force microscope cantilever calibration device for quantified force metrology at micro- or nano-scale regime: the nano force calibrator (NFC). Metrologia. 43 (5), 389-395 (2006).
  87. Tian, Y., et al. A novel method and system for calibrating the spring constant of atomic force microscope cantilever based on electromagnetic actuation. Review of Scientific Instruments. 89 (12), 125119(2018).
  88. Clifford, C. A., Seah, M. P. The determination of atomic force microscope cantilever spring constants via dimensional methods for nanomechanical analysis. Nanotechnology. 16 (9), 1666-1680 (2005).
  89. Chen, B. -Y., Yeh, M. -K., Tai, N. -H. Accuracy of the spring constant of atomic force microscopy cantilevers by finite element method. Analytical Chemistry. 79 (4), 1333-1338 (2007).
  90. Mick, U., Eichhorn, V., Wortmann, T., Diederichs, C., Fatikow, S. Combined nanorobotic AFM/SEM system as novel toolbox for automated hybrid analysis and manipulation of nanoscale objects. 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 4088-4093 (2010).
  91. Kim, M. -S., Choi, J. -H., Kim, J. -H., Park, Y. -K. Accurate determination of spring constant of atomic force microscope cantilevers and comparison with other methods. Measurement. 43 (4), 520(2010).
  92. Zhang, G., Wei, Z., Ferrell, R. E. Elastic modulus and hardness of muscovite and rectorite determined by nanoindentation. Applied Clay Science. 43 (2), 271-281 (2009).
  93. Bobko, C. P., Ortega, J. A., Ulm, F. -J. Comment on "Elastic modulus and hardness of muscovite and rectorite determined by nanoindentation by G. Zhang, Z. Wei and R.E. Ferrell. Applied Clay Science. 46 (4), 425-428 (2009).
  94. Zhang, G., Wei, Z., Ferrell, R. E. Reply to the Comment on "Elastic modulus and hardness of muscovite and rectorite determined by nanoindentation" by G. Zhang, Z. Wei and R. E. Ferrell. Applied Clay Science. 46 (4), 429-432 (2009).
  95. Jin, D. W., et al. Thermal stability and Young's modulus of mechanically exfoliated flexible mica. Current Applied Physics. 18 (12), 1486-1491 (2018).
  96. Xiao, J., et al. Anisotropic friction behaviour of highly oriented pyrolytic graphite. Carbon. 65, 53-62 (2013).
  97. Hertz, H. Ueber die Berührung fester elastischer Körper. Journal für die reine und angewandte Mathematik. 1882 (92), 156-171 (1882).
  98. Johnson, K. L., Kendall, K., Roberts, A. D., Tabor, D. Surface energy and the contact of elastic solids. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 324 (1558), 301-313 (1971).
  99. Muller, V. M., Derjaguin, B. V., Toporov, Y. P. On two methods of calculation of the force of sticking of an elastic sphere to a rigid plane. Colloids and Surfaces. 7 (3), 251-259 (1983).
  100. Maugis, D. Adhesion of spheres: The JKR-DMT transition using a dugdale model. Journal of Colloid and Interface Science. 150 (1), 243-269 (1992).
  101. Muller, V. M., Yushchenko, V. S., Derjaguin, B. V. On the influence of molecular forces on the deformation of an elastic sphere and its sticking to a rigid plane. Journal of Colloid and Interface Science. 77 (1), 91-101 (1980).
  102. Muller, V. M., Yushchenko, V. S., Derjaguin, B. V. General theoretical consideration of the influence of surface forces on contact deformations and the reciprocal adhesion of elastic spherical particles. Journal of Colloid and Interface Science. 92 (1), 92-101 (1983).
  103. Johnson, K. L., Greenwood, J. A. An adhesion map for the contact of elastic spheres. Journal of Colloid and Interface Science. 192 (2), 326-333 (1997).
  104. Shi, X., Zhao, Y. -P. Comparison of various adhesion contact theories and the influence of dimensionless load parameter. Journal of Adhesion Science and Technology. 18 (1), 55-68 (2004).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Nanoindentation TechniqueMechanical Property MeasurementCantilever CalibrationProbe Tip RadiusYoung s ModulusMesenchymal Stem CellsPhospholipid BilayersModulus MappingContact Mechanics Model

Gerelateerde artikelen