Artykuł metodologiczny

Mikroskopia sił atomowych Nanotwardość oparta na wspornikach: pomiary właściwości mechanicznych w nanoskali w powietrzu i płynie

DOI:

10.3791/64497

⸱

2 grudnia 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ilościowe określenie powierzchni styku i siły wywieranej przez końcówkę sondy mikroskopu sił atomowych (AFM) na powierzchnię próbki umożliwia określenie właściwości mechanicznych w nanoskali. Omówiono najlepsze praktyki w zakresie wdrażania nanotwardości opartej na wspornikach AFM w powietrzu lub płynie na miękkich i twardych próbkach w celu pomiaru modułu sprężystości lub innych właściwości nanomechanicznych.

Streszczenie

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

Mikroskop sił atomowych (AFM) zasadniczo mierzy interakcję między końcówką sondy AFM w nanoskali a powierzchnią próbki. Jeśli można określić ilościowo siłę wywieraną przez końcówkę sondy i jej powierzchnię styku z próbką, możliwe jest określenie właściwości mechanicznych w nanoskali (np. modułu sprężystości lub modułu Younga) badanej powierzchni. Szczegółowa procedura przeprowadzania ilościowych eksperymentów z nanotwardością opartą na wspornikach AFM znajduje się tutaj, wraz z reprezentatywnymi przykładami zastosowania tej techniki do określania modułów sprężystości wielu różnych typów próbek, w zakresie od kPa do GPa. Należą do nich żywe mezenchymalne komórki macierzyste (MSC) i jądra w buforze fizjologicznym, zanurzone w żywicy odwodnione przekroje sosny loblolly oraz łupki Bakken o różnym składzie.

Dodatkowo, nanoindentacja oparta na wspornikach AFM jest używana do badania wytrzymałości na zerwanie (tj. siły przebicia) dwuwarstw fosfolipidowych. Omówiono ważne kwestie praktyczne, takie jak wybór i rozwój metody, wybór i kalibracja sondy, identyfikacja obszaru zainteresowania, niejednorodność próbki, rozmiar cechy i współczynnik kształtu, zużycie końcówki, chropowatość powierzchni oraz analiza danych i statystyki pomiarowe, aby pomóc w prawidłowym wdrożeniu techniki. Na koniec wykazano kolokalizację map nanomechanicznych pochodzących z AFM za pomocą technik mikroskopii elektronowej, które dostarczają dodatkowych informacji na temat składu pierwiastkowego.

Wprowadzenie

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

Zrozumienie właściwości mechanicznych materiałów jest jednym z najbardziej podstawowych i niezbędnych zadań w inżynierii. Do analizy właściwości materiałów sypkich dostępnych jest wiele metod charakteryzowania właściwości mechanicznych systemów materiałowych, w tym próby rozciągania1, testy ściskania2 oraz trzy- lub czteropunktowe testy zginania (przy zginaniu)3. Chociaż te testy w mikroskali mogą dostarczyć bezcennych informacji na temat właściwości materiałów sypkich, są one zazwyczaj przeprowadzane do awarii, a zatem są destrukcyjne. Ponadto brakuje im rozdzielczości przestrzennej niezbędnej do dokładnego zbadania właściwości w mikro- i nanoskali wielu systemów materiałowych, które są obecnie przedmiotem zainteresowania, takich jak cienkie warstwy, materiały biologiczne i nanokompozyty. Aby rozpocząć rozwiązywanie niektórych problemów związanych z badaniami mechanicznymi na dużą skalę, głównie ich destrukcyjnego charakteru, testy mikrotwardości zostały zaczerpnięte z mineralogii. Twardość jest miarą odporności materiału na odkształcenia plastyczne w określonych warunkach. Ogólnie rzecz biorąc, testy mikrotwardości wykorzystują sztywną sondę, zwykle wykonaną z hartowanej stali lub diamentu, do wgłębienia w materiał. Uzyskana głębokość i/lub powierzchnia wgłębienia może być następnie wykorzystana do określenia twardości. Opracowano kilka metod, w tym Vickers4, Knoop5 i Brinell6 twardość; Każdy z nich dostarcza miary twardości materiału w mikroskali, ale w różnych warunkach i definicjach, i jako taki daje tylko dane, które można porównać z testami przeprowadzonymi w tych samych warunkach.

Instrumented nanoindentation został opracowany w celu poprawy względnych wartości uzyskanych za pomocą różnych metod testowania mikrotwardości, poprawy rozdzielczości przestrzennej możliwej do analizy właściwości mechanicznych i umożliwienia analizy cienkich warstw. Co ważne, wykorzystując metodę opracowaną po raz pierwszy przez Olivera i Pharra7, można określić moduł sprężystości lub moduł Younga, E, materiału próbki za pomocą oprzyrządowanego nanowgłębienia. Ponadto, dzięki zastosowaniu trójstronnej piramidalnej sondy nanoindenter Berkovicha (której idealna funkcja obszaru końcówki odpowiada funkcji czterostronnej sondy piramidalnej Vickersa)8, można dokonać bezpośredniego porównania między pomiarami twardości w nanoskali a bardziej tradycyjnymi pomiarami twardości w mikroskali. Wraz ze wzrostem popularności AFM, nanotwardość oparta na wspornikach AFM również zaczęła być przedmiotem zainteresowania, szczególnie do pomiaru właściwości mechanicznych bardziej miękkich materiałów. W rezultacie, jak przedstawiono schematycznie w Rysunek 1, dwie najczęściej stosowane obecnie techniki badania i ilościowego określania właściwości mechanicznych w nanoskali to oprzyrządowana nanoindentacja (Rysunek 1A) i nanowcięcie oparte na wsporniku AFM (Rysunek 1B)9, z których ta ostatnia jest przedmiotem tej pracy.

figure-introduction-1
Rysunek 1: Porównanie systemów nanoindentacji opartych na wspornikach i AFM. Schematy ideowe przedstawiające typowe systemy do prowadzenia (A) oprzyrządowanego nanotwardego i (B) wspornikowego nanotwardego AFM. Ten rysunek został zmodyfikowany z Qian et al.51. Skrót: AFM = mikroskopia sił atomowych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Zarówno oprzyrządowane, jak i oparte na wsporniku AFM nanowgłębienie wykorzystuje sztywną sondę do deformacji interesującej nas powierzchni próbki i monitorowania wynikowej siły i przemieszczenia w funkcji czasu. Zazwyczaj żądany profil obciążenia (tj. siły) lub (Z-piezo) przemieszczenia jest określany przez użytkownika za pośrednictwem interfejsu oprogramowania i bezpośrednio kontrolowany przez przyrząd, podczas gdy drugi parametr jest mierzony. Właściwością mechaniczną najczęściej uzyskiwaną z eksperymentów z nanotwardością jest moduł sprężystości (E), określany również jako moduł Younga, który ma jednostki nacisku. Moduł sprężystości materiału jest podstawową właściwością odnoszącą się do sztywności wiązania i jest definiowany jako stosunek naprężenia rozciągającego lub ściskającego (σ, przyłożona siła na jednostkę powierzchni) do odkształcenia osiowego (ε, proporcjonalne odkształcenie wzdłuż osi wcięcia) podczas odkształcenia sprężystego (tj. odwracalnego lub tymczasowego) przed wystąpieniem odkształcenia plastycznego (równanie [1]):

figure-introduction-2 (1)

Należy zauważyć, że ponieważ wiele materiałów (zwłaszcza tkanek biologicznych) jest w rzeczywistości lepkosprężyste, w rzeczywistości moduł (dynamiczny lub złożony) składa się zarówno ze składników elastycznych (magazynowanie, w fazie), jak i lepkich (straty, poza fazą). W praktyce to, co jest mierzone w eksperymencie z nanowgłębieniem, to zredukowany moduł, E*, który jest związany z rzeczywistym modułem próbki będącym przedmiotem zainteresowania, E, jak pokazano w równaniu (2):

figure-introduction-3 (2)

Gdzie końcówka E i końcówka ν to odpowiednio moduł sprężystości i stosunek Poissona końcówki nanoindentera, a ν to szacowany współczynnik Poissona próbki. Współczynnik Poissona jest ujemnym stosunkiem odkształcenia poprzecznego do osiowego, a zatem wskazuje stopień wydłużenia poprzecznego próbki po poddaniu jej odkształceniu osiowemu (np. podczas obciążenia nanotwardością), jak pokazano w równaniu (3):

figure-introduction-4 (3)

Konwersja z modułu zredukowanego na rzeczywisty jest konieczna, ponieważ a) część odkształcenia osiowego przekazywanego przez końcówkę wgłębnika może zostać przekształcona w odkształcenie poprzeczne (tzn. próbka może się odkształcać poprzez rozszerzanie lub kurczenie się prostopadle do kierunku ładowania), oraz b) końcówka wgłębnika nie jest nieskończenie twarda, a zatem akt wcięcia próbki powoduje pewne (niewielkie) odkształcenie końcówki. Należy zauważyć, że w przypadku, gdy końcówka E >> E (tj. końcówka wgłębnika jest znacznie twardsza niż próbka, co często jest prawdą przy użyciu sondy diamentowej), zależność między zredukowanym a rzeczywistym modułem próbki znacznie upraszcza się do E ≈ E*(1 - v2). Podczas gdy oprzyrządowana nanotwardość jest lepsza pod względem dokładnej charakterystyki siły i zakresu dynamicznego, nanotwardość oparta na wspornikach AFM jest szybsza, zapewnia o rzędy wielkości większą czułość siły i przemieszczenia, umożliwia obrazowanie w wyższej rozdzielczości i lepsze lokalizowanie wgłębień oraz może jednocześnie badać właściwości magnetyczne i elektryczne w nanoskali9. W szczególności nanotwardość oparta na wspornikach AFM jest lepsza do ilościowego określania właściwości mechanicznych w nanoskali materiałów miękkich (np. polimerów, żeli, dwuwarstw lipidowych i komórek lub innych materiałów biologicznych), niezwykle cienkich (sub-μm) warstw (gdzie efekty substratu mogą wchodzić w grę w zależności od głębokości wgłębienia)10,11 oraz zawieszonych materiałów dwuwymiarowych (2D)12,13,14 such as graphene15,16, mica17, heksagonalny azotek boru (h-BN)18, lub dichalkogenki metali przejściowych (TMDC; np. MoS2)19. Wynika to z jego wyjątkowej wrażliwości na siłę (sub-nN) i przemieszczenie (sub-nm), co jest ważne dla dokładnego określenia początkowego punktu kontaktu i pozostania w obszarze odkształcenia sprężystego.

W nanowgłębieniu opartym na wsporniku AFM, przemieszczenie sondy AFM w kierunku powierzchni próbki jest uruchamiane przez skalibrowany element piezoelektryczny (Rysunek 1B), przy czym elastyczny wspornik ostatecznie wygina się pod wpływem siły oporu doświadczanej przy kontakcie z powierzchnią próbki. To zginanie lub ugięcie wspornika jest zwykle monitorowane przez odbicie lasera z tyłu wspornika do fotodetektora (detektor czuły na położenie [PSD]). W połączeniu ze znajomością sztywności wspornika (w nN/nm) i wrażliwości na ugięcie (w nm/V), możliwe jest przeliczenie zmierzonego ugięcia wspornika (w V) na siłę (w nN) przyłożoną do próbki. Po kontakcie różnica między ruchem Z-piezoelektrycznym a ugięciem wspornika daje głębokość wgłębienia próbki. W połączeniu ze znajomością funkcji obszaru końcówki umożliwia to obliczenie powierzchni styku końcówki z próbką. Nachylenie części styku wynikowych krzywych siła-odległość lub siła-przemieszczenie (F-D) można następnie dopasować za pomocą odpowiedniego modelu mechaniki kontaktowej (patrz sekcja Analiza danych w dyskusji) w celu określenia nanomechanicznych właściwości próbki. Chociaż nanotwardnienie oparte na wspornikach AFM ma pewne wyraźne zalety w porównaniu z oprzyrządowaną nanotwardością, jak opisano powyżej, wiąże się również z kilkoma praktycznymi wyzwaniami wdrożeniowymi, takimi jak kalibracja, zużycie końcówki i analiza danych, które zostaną omówione tutaj. Inną potencjalną wadą nanotwardości opartej na wspornikach AFM jest założenie elastyczności liniowej, ponieważ promień kontaktu i głębokość wgłębienia muszą być znacznie mniejsze niż promień wgłębnika, co może być trudne do osiągnięcia podczas pracy z nanoskalowymi sondami AFM i/lub próbkami wykazującymi znaczną chropowatość powierzchni.

Tradycyjnie, nanowcięcie było ograniczone do pojedynczych lokalizacji lub małych eksperymentów z wcięciami siatki, w których wybierane jest pożądane miejsce (tj. obszar zainteresowania [ROI]) i wykonywane jest pojedyncze kontrolowane wcięcie, wiele wcięć w jednym miejscu oddzielonych pewnym czasem oczekiwania, i/lub gruba siatka wcięć jest wykonywana z szybkością rzędu Hz. Jednak ostatnie postępy w AFM pozwalają na jednoczesne pozyskiwanie właściwości mechanicznych i topografii poprzez wykorzystanie trybów obrazowania opartych na krzywej siły o dużej prędkości (określanych różnymi nazwami handlowymi w zależności od producenta systemu), w których krzywe siły są prowadzone z częstotliwością kHz pod kontrolą obciążenia, przy czym maksymalna siła końcówka-próbka jest wykorzystywana jako nastawa obrazowania. Opracowano również metody typu "wskaż i strzelaj", które pozwoliły na uzyskanie obrazu topografii AFM, a następnie selektywne nanoindentowanie w interesujących punktach obrazu, co zapewnia przestrzenną kontrolę nad lokalizacją nanotwardości. Chociaż nie jest to główny cel tej pracy, w reprezentatywnych wynikach przedstawiono konkretne wybrane przykłady zastosowań zarówno obrazowania opartego na krzywej siły, jak i nanowgłębienia opartego na wspornikach typu "wskaż i strzelaj", które mogą być używane w połączeniu z protokołem opisanym poniżej, jeśli jest dostępny na danej zastosowanej platformie AFM. W szczególności praca ta nakreśla uogólniony protokół praktycznej implementacji nanoindentacji opartej na wsporniku AFM w dowolnym zdolnym systemie AFM i przedstawia cztery przykłady przypadków użycia (dwa w powietrzu, dwa w płynie) techniki, w tym reprezentatywne wyniki i dogłębną dyskusję na temat niuansów, wyzwań i ważnych kwestii, aby skutecznie zastosować tę technikę.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

UWAGA: Ze względu na szeroki wybór dostępnych na rynku AFM oraz różnorodność typów próbek i zastosowań, które istnieją dla nanoindentacji opartej na wspornikach, następujący protokół jest celowo zaprojektowany tak, aby był stosunkowo ogólny w swoim charakterze, skupiając się na wspólnych krokach niezbędnych dla wszystkich eksperymentów z nanowgłębieniami opartymi na wspornikach, niezależnie od instrumentu czy producenta. Z tego powodu autorzy zakładają, że czytelnik posiada przynajmniej podstawową wiedzę na temat obsługi konkretnego instrumentu wybranego do wykonywania nanoindentacji na bazie wsporników. Jednak oprócz ogólnego protokołu opisanego poniżej, jako materiał uzupełniający dołączono szczegółową standardową procedurę operacyjną (SOP) krok po kroku specyficzną dla AFM i zastosowanego tutaj oprogramowania (patrz Tabela materiałów), koncentrującą się na wspornikowym nanowgłębieniu próbek w płynie.

1. Przygotowanie próbki i ustawienie instrumentu

  1. Przygotuj próbkę w sposób, który minimalizuje zarówno chropowatość powierzchni (najlepiej w skali nanometrowej, ~10 razy mniejsza niż zamierzona głębokość wgłębienia), jak i zanieczyszczenie bez zmiany właściwości mechanicznych obszaru (obszarów) zainteresowania.
  2. Wybierz odpowiednią sondę AFM do nanowgłębienia zamierzonej próbki w oparciu o medium (tj. powietrze lub płyn), oczekiwany moduł, topografię próbki i odpowiednie rozmiary cech (patrz uwagi dotyczące wyboru sondy w dyskusji). Załaduj sondę do uchwytu sondy (patrz Tabela materiałów) i przymocuj uchwyt sondy do głowicy skanującej AFM.
  3. Wybierz odpowiedni tryb nanoindentacji w oprogramowaniu AFM, który umożliwia użytkownikowi kontrolę nad poszczególnymi rampami (tj. krzywymi siła-przemieszczenie).
    UWAGA: Konkretny tryb będzie się różnić w zależności od producenta AFM i poszczególnych przyrządów (zobacz SOP w materiałach dodatkowych, aby uzyskać więcej informacji i konkretny przykład).
  4. Ustaw laser z tyłu wspornika sondy, naprzeciwko miejsca końcówki sondy i do PSD.
    UWAGA: Zobacz przykład zastosowania mezenchymalnych komórek macierzystych, aby uzyskać więcej informacji na temat ważnych kwestii związanych z ustawianiem lasera i przeprowadzaniem nanowgłębień w płynie, w szczególności unikania pływających zanieczyszczeń i/lub pęcherzyków powietrza, które mogą rozpraszać lub załamywać wiązkę. Może być również konieczne wyregulowanie optyki AFM w celu skompensowania współczynnika załamania płynu i uniknięcia zderzenia sondy podczas kontaktu z powierzchnią.
    1. Wyśrodkuj plamkę wiązki laserowej z tyłu wspornika, maksymalizując sumę napięcia ( Rysunek 2A).
    2. Wyśrodkuj odbitą plamkę wiązki laserowej na PSD, dostosowując sygnały odchylenia X i Y (tj. poziome i pionowe) tak, aby były jak najbardziej bliskie zeru (Rysunek 2A), zapewniając w ten sposób maksymalny wykrywalny zakres ugięcia dla wytworzenia napięcia wyjściowego proporcjonalnego do ugięcia wspornika.
  5. W przypadku wątpliwości co do topografii próbki, chropowatości powierzchni i/lub gęstości powierzchni (w przypadku płatków lub cząstek), należy wykonać badanie topograficzne AFM przed jakimikolwiek eksperymentami z nanowgłębieniami, aby potwierdzić przydatność próbki, jak opisano w kroku 1.1 i części dyskusji dotyczącej przygotowania próbki.

figure-protocol-1
Rysunek 2: Monitor detektora czułego na położenie. (A) Wyświetlacz PSD wskazujący prawidłowo ustawiony laser odbijający się od tylnej części wspornika sondy na środek PSD (o czym świadczy duże napięcie sumaryczne i brak odchylenia pionowego lub poziomego) przed zahaczeniem o powierzchnię próbki (tj. sonda nie ma kontaktu z próbką). (B) Napięcie ugięcia pionowego wzrasta, gdy wspornik jest odchylany (np. gdy sonda styka się z próbką). Skróty: PSD = detektor czuły na położenie; VERT = pionowy; HORIZ = poziomy; AMPL = amplituda; Nie dotyczy = nie dotyczy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Kalibracja sondy

UWAGA: Trzy wartości są niezbędne do ilościowego określenia właściwości mechanicznych próbki za pomocą danych z krzywej F-D zebranych podczas nanowgłębienia opartego na wsporniku: czułość ugięcia (DS) systemu wspornikowego/PSD (nm/V lub V/nm), stała sprężystości wspornika (nN/nm) oraz powierzchnia styku sondy, często wyrażane jako efektywny promień końcówki sondy (nm) przy danej głębokości wgłębienia mniejszej niż promień sondy w przypadku sferycznej końcówki sondy.

  1. Skalibruj DS systemu sonda/AFM poprzez zagłębianie skośne na bardzo twardym materiale (np. szafir, E = 345 GPa), tak aby zminimalizować deformację próbki, a tym samym zmierzony ruch Z piezoelektrycznego po zainicjowaniu kontaktu końcówka-próbka jest przekształcany wyłącznie w ugięcie wspornika.
    UWAGA: Kalibracja DS musi być przeprowadzona w tych samych warunkach, co planowane eksperymenty z nanotwardością (tj. temperatura, medium itp.), aby dokładnie odzwierciedlić DS systemu podczas eksperymentów. Długi (30 minut) okres nagrzewania lasera może być konieczny w celu uzyskania maksymalnej dokładności, aby dać czas na osiągnięcie równowagi termicznej i ustalenie stabilnej mocy wyjściowej lasera oraz stabilności celowania. DS musi być ponownie mierzony za każdym razem, gdy laser jest ponownie ustawiany, nawet jeśli używana jest ta sama sonda, ponieważ DS zależy od intensywności lasera i położenia na wsporniku, a także od jakości odbicia od sondy (tj. degradacja tylnej powłoki sondy wpłynie na DS) i czułości PSD20.
    1. Ustaw i wykonaj wgłębienia kalibracyjne DS na szafirze, aby uzyskać w przybliżeniu takie samo ugięcie sondy (w V lub nm), jak planowane wgłębienia próbki, ponieważ zmierzone przemieszczenie jest funkcją kąta ugięcia końcówki i staje się nieliniowe dla dużych ugięć.
    2. Wyznacz DS (w nm/V) lub alternatywnie odwrotną czułość dźwigni optycznej (w V/nm), na podstawie nachylenia liniowej części reżimu kontaktu po początkowym punkcie kontaktu w wynikowej krzywej F-D, jak pokazano na Rysunek 3A.
    3. Powtórz rampę co najmniej 5 razy, rejestrując każdą wartość DS. Użyj średniej wartości, aby uzyskać maksymalną dokładność. Jeśli względne odchylenie standardowe (RSD) pomiarów przekracza ~1%, należy ponownie zmierzyć DS, ponieważ czasami kilka pierwszych krzywych F-D jest nieidealnych ze względu na początkowe wprowadzenie sił adhezyjnych.
    4. Jeśli stała sprężystości wspornika sondy, k, nie jest fabrycznie skalibrowana (np. za pomocą laserowej wibrometrii dopplerowskiej [LDV]), skalibruj stałą sprężystości.
      UWAGA: Metoda strojenia termicznego jest optymalna dla stosunkowo miękkich wsporników o k < 10 N/m (patrz sekcja dotycząca stałej sprężystości w dyskusji, aby uzyskać listę i opis metod alternatywnych, szczególnie dla sztywnych wsporników o k > 10 N/m). Jak pokazano w Rysunek 3B, C, strojenie termiczne jest zazwyczaj zintegrowane z oprogramowaniem sterującym AFM.
  2. Jeśli sonda nie jest wyposażona w fabrycznie skalibrowany pomiar promienia końcówki (np. za pomocą obrazowania za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego [SEM]), zmierz efektywny promień końcówki, R.
    UWAGA: Istnieją dwie popularne metody pomiaru promienia końcówki (patrz odpowiednia sekcja dyskusji), ale najbardziej powszechną metodą końcówek sond w skali nanometrowej jest metoda rekonstrukcji końcówki ślepej (BTR), która wykorzystuje wzorzec chropowatości (patrz Tabela materiałów) zawierający wiele niezwykle ostrych (sub-nm) cech, które służą do skutecznego obrazowania końcówki, a nie do obrazowania próbki przez końcówkę.
    1. W przypadku stosowania metody BTR należy zobrazować próbkę chropowatości (charakterystyki końcówki) przy użyciu niskiej częstotliwości skanowania (<0,5 Hz) i wysokich wzmocnień sprzężenia zwrotnego, aby zoptymalizować śledzenie bardzo ostrych elementów. Wybierz rozmiar obrazu i gęstość pikseli (rozdzielczość) na podstawie oczekiwanego promienia końcówki (np. obraz o wymiarach 1024 x 1024 pikseli z obszaru 3 μm x 3 μm będzie miał rozdzielczość boczną ~3 nm).
    2. Użyj oprogramowania do analizy obrazu AFM (patrz Tabela materiałów), aby zamodelować końcówkę sondy i oszacować jej promień końcowy oraz efektywną średnicę końcówki przy oczekiwanej głębokości wgłębienia próbki, jak pokazano na Rysunek 3D-F.
  3. Po zakończeniu kalibracji sondy wprowadź wartości DS, k i R w oprogramowaniu przyrządu, jak pokazano na Rysunek 4A.
    1. Wprowadź oszacowanie współczynnika Poissona dla próbki, ν, aby umożliwić konwersję zmierzonego zredukowanego modułu na rzeczywisty moduł próbki9. W przypadku stosowania stożkowego lub stożkowego modelu mechaniki kontaktowej opartego na kształcie końcówki i głębokości wcięcia, konieczne jest również wprowadzenie kąta połowy końcówki (Rysunek 4C).
      UWAGA: Moduł jest stosunkowo niewrażliwy na małe błędy lub niepewności w szacowanym współczynniku Poissona. Oszacowanie ν = 0,2-0,3 jest dobrym punktem wyjścia dla wielu materiałów21.

figure-protocol-2
Rysunek 3: Kalibracja sondy. (A) Wyznaczanie czułości na ugięcie. Wynik reprezentatywnego pomiaru czułości na ugięcie przeprowadzonego na podłożu szafirowym (E = 345 GPa) dla standardowej sondy stukającej (nominalnie k = 42 N/m; patrz tabela materiałów) z odblaskową powłoką aluminiową z tyłu. Pokazano zmierzone krzywe podejścia (niebieska ścieżka) oraz krzywe wycofania lub wycofania (czerwona ścieżka). Zmierzoną czułość ugięcia wynoszącą 59,16 nm/V określono poprzez dopasowanie krzywej zbliżania między punktami zatrzaskiwania i zwrotu, zgodnie z obszarem między pionowymi przerywanymi czerwonymi liniami. Obszar ugięcia ujemnego widoczny na krzywej cofania/wycofywania przed oderwaniem powierzchni wskazuje na przyczepność końcówki do próbki. (B,C) Strojenie termiczne. Reprezentatywne widma szumu termicznego wspornika (niebieskie ścieżki) z odpowiadającymi im pasowaniami (czerwone ścieżki) dla dwóch różnych sond. (B) Konfiguracja dostrojenia termicznego i parametry dopasowania dla standardowej sondy obrazującej AFM opartej na krzywej siły (patrz Tabela materiałów) z nominalną stałą sprężystości k = 0,4 N / m używaną jako wstępne przypuszczenie. Dopasowanie wspornikowego widma szumu termicznego daje podstawową częstotliwość rezonansową f0 = 79,8 kHz, która jest dość dobrze zgodna z wartością nominalną f0 = 70 kHz. Zmierzony współczynnik Q wynosi 58,1. Dobroć dopasowania (R2 = 0,99) opiera się na zgodności dopasowania z danymi między dwiema pionowymi przerywanymi czerwonymi liniami. Należy pamiętać, że ważne jest, aby znać i wprowadzać zarówno temperaturę otoczenia, jak i czułość na ugięcie, aby uzyskać dokładne wyniki. (C) Widmo szumu termicznego wspornika i odpowiadające mu dopasowanie (tj. strojenie termiczne) z wynikową obliczoną stałą sprężystości k = 0,105 N / m dla wyjątkowo miękkiego wspornika używanego do wykonywania pomiarów nanomechanicznych na żywych komórkach i izolowanych jądrach. Zwróć uwagę na znacznie niższą częstotliwość rezonansu naturalnego wynoszącą ~2-3 kHz. (D-F) Rekonstrukcja ślepej końcówki. Reprezentatywny przebieg rekonstrukcji końcówki nieprzelotowej dla sondy z końcówką diamentową (nominalne R = 40 nm; patrz tabela materiałów). (D) Obraz o wymiarach 5 μm x 5 μm próbki do charakteryzowania końcówki, składającej się z serii niezwykle ostrych (sub-nm) tytanowych kolców, które służą do zobrazowania końcówki sondy AFM. (E) Wynikowy zrekonstruowany model (obraz odwróconej wysokości) końcówki sondy. (F) Wyniki dopasowania rekonstrukcji końcówki nieprzelotowej, w tym szacowany promień końcowy R = 29 nm i efektywna średnica końcówki 40 nm przy wybranej przez użytkownika wysokości 8 nm (tj. głębokość wcięcia << R) od wierzchołka końcówki, obliczone poprzez przeliczenie powierzchni styku końcówki z próbką na tej wysokości na efektywną średnicę przy założeniu profilu kołowego (tj. A = πr2 = π(d/2)2) do stosowania z modelami mechaniki kontaktu sferycznego. Skróty: AFM = mikroskopia sił atomowych; ETD = efektywna średnica końcówki. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-3
Rysunek 4: Wejścia interfejsu oprogramowania. (A) Stałe kalibracji sondy. Interfejs użytkownika oprogramowania (patrz Tabela materiałów) do wprowadzania zmierzonej czułości ugięcia, stałej sprężystości i promienia końcówki w celu umożliwienia ilościowych pomiarów nanomechanicznych. Współczynnik Poissona zarówno sondy, jak i próbki jest niezbędny do obliczenia modułu sprężystości lub modułu Younga próbki na podstawie wspornikowych krzywych siły nanotwardości. (B) Okno sterowania rampą. Interfejs użytkownika oprogramowania (patrz tabela materiałów) do ustawiania eksperymentów z nanowgłębieniami opartych na wspornikach, zorganizowanych w parametry opisujące samą rampę (tj. profil wcięcia), wyzwalanie przyrządów (np. kontrola siły w stosunku do przemieszczenia), późniejsza analiza siły i limity ruchu (w celu poprawy czułości pomiaru poprzez zawężenie zakresu, w którym przetwornik A/C musi działać przy sterowaniu Z-piezoelektrycznym i odczyt ugięcia PSD). (C) Kąt połówkowy końcówki (w oparciu o geometrię sondy lub pomiar bezpośredni) jest ważny, jeśli stosowany jest stożkowy, piramidalny lub stożkowy model mechaniki kontaktowej (np. Sneddon). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Zbieraj dane o wymuszeniu i przemieszczeniu (F-D)

UWAGA: Przedstawione tutaj wartości parametrów (patrz Rysunek 4B) mogą się różnić w zależności od siły i zakresu wcięć dla danej próbki.

  1. Poruszaj się po próbce pod głowicą AFM i zaangażuj się w żądany obszar zainteresowania.
    1. Monitoruj sygnał odchylenia pionowego (Rysunek 2B) lub wykonaj małą (~50-200 nm) początkową rampę (Rysunek 4B), aby sprawdzić, czy końcówka i próbka są w kontakcie (patrz Rysunek 5A).
    2. Ustaw pozycję głowicy AFM lekko w górę (w krokach odpowiadających ~50% pełnego rozmiaru rampy) i ponownie pochyl. Powtarzaj tę czynność, aż końcówka i próbka nie będą się stykać, o czym świadczy prawie płaska rampa (Rysunek 5B) i minimalne pionowe ugięcie wspornika (Rysunek 2A).
    3. Gdy nie ma oczywistej interakcji końcówka-próbka (porównaj Rysunek 2A i Rysunek 2B), opuść głowicę AFM o ilość odpowiadającą ~ 50%-100% rozmiaru rampy, aby upewnić się, że końcówka sondy nie uderzy w próbkę podczas ręcznego przesuwania głowicy AFM. Ponownie zwiększaj, powtarzając się, aż zostanie zaobserwowana dobra krzywa (Rysunek 5D) lub krzywa podobna do Rysunek 5C. W tym drugim przypadku należy wykonać jedną dodatkową małą regulację opuszczania głowy AFM równą ~20%-50% rozmiaru rampy, aby uzyskać dobry kontakt i krzywą siły podobną do pokazanej na Rysunek 5D.
  2. Dostosuj parametry rampy (zgodnie z opisem poniżej i pokazanym na Rysunek 4B), aby zoptymalizować dla instrumentu, sondy i próbki oraz uzyskać rampy podobne do pokazanych na Rysunek 5D.
    1. Wybierz odpowiedni rozmiar rampy (tj. całkowity ruch Z-piezo w jednym cyklu rampy) w zależności od próbki (np. grubość, oczekiwany moduł, chropowatość powierzchni) i żądanej głębokości wcięcia.
      UWAGA: W przypadku sztywniejszych próbek prawdopodobne jest mniejsze odkształcenie próbki (a tym samym większe ugięcie sondy dla danego ruchu Z-piezoelektrycznego), więc rozmiar rampy może być generalnie mniejszy niż w przypadku bardziej miękkich próbek. Typowe rozmiary ramp dla próbek sztywnych i wsporników mogą wynosić dziesiątki nm, podczas gdy dla próbek miękkich i wsporników rampy mogą mieć rozmiar od setek nm do kilku μm; Konkretne przykłady zastosowań przedstawiono w sekcji Reprezentatywne wyniki. Należy pamiętać, że minimalne i maksymalne możliwe rozmiary ramp są zależne od instrumentu.
    2. Wybierz odpowiednią częstotliwość narastania (1 Hz jest dobrym punktem wyjścia dla większości próbek).
      UWAGA: Szybkość narastania może być ograniczona przez elektroniczne prędkości/szerokości pasma sterującego i/lub wykrywającego. W połączeniu z rozmiarem rampy, szybkość rampy określa prędkość końcówki. Prędkość końcówki jest szczególnie ważna do rozważenia podczas wciskania miękkich materiałów, gdzie efekty lepkosprężyste mogą powodować artefakty histerezy9,22.
    3. Wybierz, czy chcesz zastosować rampę wyzwalaną (sterowaną obciążeniem) czy niewyzwalaną (sterowaną przemieszczeniem).
      UWAGA: W przypadku wyzwolonej rampy system będzie zbliżał się do próbki w krokach zdefiniowanych przez użytkownika (w oparciu o rozmiar i rozdzielczość rampy lub liczbę punktów danych) do momentu wykrycia pożądanego progu wyzwalania (tj. siły zadanej lub ugięcia wspornika), w którym to momencie system cofnie się do swojej pierwotnej pozycji i wyświetli krzywą FD. W przypadku niewyzwolonej rampy system po prostu wydłuża Z-piezo na odległość określoną przez zdefiniowany przez użytkownika rozmiar rampy i wyświetla zmierzoną krzywą F-D. Rampy wyzwalane są preferowane w większości przypadków użycia, ale rampy niewyzwalane mogą być przydatne podczas badania miękkich materiałów, które nie mają ostrego, łatwego do zidentyfikowania punktu kontaktu.
      1. W przypadku wybrania wyzwalanej rampy należy ustawić próg wyzwalania (zdefiniowana przez użytkownika maksymalna dopuszczalna siła lub ugięcie rampy) tak, aby uzyskać pożądane wgłębienie w próbce.
        UWAGA: Użycie progu wyzwalania oznacza, że rampa może się zakończyć (tj. sonda może zacząć się chować) przed osiągnięciem określonego pełnego rozmiaru rampy (przedłużenie Z-piezoelektryczne). Wartości mogą wahać się od kilku nN do kilku μN, w zależności od układu końcówka-próbka.
      2. Ustaw pozycję rampy, aby określić część maksymalnego zasięgu Z-piezo, która zostanie użyta do wykonania rampy. Upewnij się, że całkowity zakres rozmiaru rampy nie zaczyna się ani nie kończy poza maksymalnym zakresem Z-piezo (patrz reprezentatywne przykłady w Rysunek 6), w przeciwnym razie część krzywej F-D nie będzie reprezentować żadnego fizycznego pomiaru (tj. Z-piezo będzie całkowicie wysunięte lub schowane, nie poruszając się).
    4. Ustaw liczbę próbek/rampę (np. 512 próbek/rampę), aby uzyskać żądaną rozdzielczość pomiaru (tj. gęstość punktową krzywej FD).
      UWAGA: Maksymalna liczba próbek/skali może być ograniczona przez ograniczenia programowe (rozmiar pliku) lub sprzętowe (np. szybkość konwersji analogowo-cyfrowej [A/D], w zależności od szybkości narastania). Możliwe jest również ograniczenie dopuszczalnego zakresu Z-piezo lub ugięcia (patrz parametry graniczne w Rysunek 4B) w celu zwiększenia efektywnej rozdzielczości przetwornika A/C systemu.
    5. Ustaw obrót X, aby zmniejszyć siły ścinające na próbce i końcówce, jednocześnie lekko przesuwając sondę w kierunku X (równolegle do wspornika) przy jednoczesnym wcięciu w kierunku Z (prostopadle do wspornika). Dla obrotu X należy przyjąć wartość równą kątowi przesunięcia uchwytu sondy względem normalnej powierzchni (typowo 12°).
      UWAGA: Obrót X jest konieczny, ponieważ wspornik jest zamontowany w uchwycie sondy pod małym kątem w stosunku do powierzchni, aby umożliwić odbijanie padającej wiązki laserowej w PSD. Dodatkowo przedni i tylny kąt końcówki sondy może się od siebie różnić (tj. końcówka sondy może być asymetryczna). Bardziej szczegółowe informacje można uzyskać od poszczególnych producentów sond i AFM.

figure-protocol-4
Rysunek 5: Optymalizacja separacji końcówki od próbki po włączeniu w celu uzyskania dobrych krzywych siły. Sekwencyjne przykłady reprezentatywnych krzywych siła-przemieszczenie uzyskane podczas wgłębiania w płynie (sól fizjologiczna buforowana fosforanami) na żywym jądrze mezenchymalnych komórek macierzystych za pomocą skalibrowanego wspornika z miękkiego azotku krzemu (nominalnie k = 0,04 N / m) zakończonego półkulistą końcówką o promieniu 5 μm (patrz tabela materiałów). Krzywe uzyskano w procesie angażowania powierzchni komórki i optymalizacji parametrów wgłębienia, przy czym podejście sondy pokazano na niebiesko, a wycofanie/wycofanie na czerwono. (A) Końcówka jest już zazębiona i styka się z próbką przed rozpoczęciem rampy, co prowadzi do dużego ugięcia i sił wysięgnika, bez płaskiej linii bazowej przed kontaktem. (B) Po ręcznym odsunięciu końcówki wystarczająco daleko od próbki, niewyzwolona rampa 2 μm powoduje prawie płaską krzywą F-D (tj. praktycznie bez zmiany siły). W warunkach otoczenia krzywa byłaby bardziej płaska, ale w płynie lepkość medium może powodować niewielkie ugięcia wspornika sondy podczas rampy, jak widać tutaj, nawet bez kontaktu z powierzchnią. (C) Po zbliżeniu się nieco bliżej powierzchni przed rozpoczęciem rampy, krzywe podejścia i wycofania wykazują niewielki wzrost siły (zwiększone nachylenie) w pobliżu punktu skrętu rampy (tj. przejście od podejścia do wycofania). Znakiem ostrzegawczym, na który należy zwrócić uwagę, jest to, że krzywe podejścia (niebieska) i wycofania (czerwona) zaczynają się na siebie nakładać (obszar oznaczony czarnym kółkiem), co wskazuje na fizyczną interakcję z powierzchnią. (D) Idealna krzywa F-D uzyskana po optymalizacji parametrów rampy i zbliżaniu się nieznacznie (~1 μm) bliżej powierzchni komórki niż w C, tak że sonda spędza około połowy rampy w kontakcie z komórką, umożliwiając wystarczające odkształcenie, aby dopasować się do części kontaktowej krzywej podejścia i określić moduł sprężystości. Stosunkowo długa, płaska, bezszumowa linia bazowa ułatwia algorytmowi dopasowania określenie punktu kontaktu. Skrót: F-D = siła-przemieszczenie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-5
Rysunek 6: Rozmiar i położenie rampy. Monitor Z-piezo pokazujący zakres rampy (niebieski pasek) w stosunku do całkowitego dostępnego zakresu ruchu Z-piezo (zielony pasek). (A) Pozycja Z-piezo znajduje się blisko środka swojego zakresu ruchu, na co wskazuje zarówno niebieski pasek znajdujący się mniej więcej w środku zielonego paska, jak i aktualne napięcie Z-piezo (-78,0 V) znajdujące się mniej więcej między wartościami pełnego schowanego (-212,2 V) i wysuniętego (+102,2 V). (B) Z-piezo jest wydłużony względem A, bez przyłożonego napięcia polaryzacji. (C) Z-piezo jest cofnięte względem A i B. (D) Pozycja Z-piezo jest taka sama jak w C przy -156,0 V, ale rozmiar rampy został zwiększony w stosunku do A-C, aby wykorzystać więcej pełnego zakresu ruchu Z-piezo. € Rozmiar rampy jest zbyt duży w stosunku do aktualnej pozycji rampy, co powoduje, że Z-piezo jest przedłużone do końca swojego zakresu. Spowoduje to spłaszczenie krzywej FD, ponieważ system nie może dalej przedłużyć Z-piezo. Skrót: F-D = siła-przemieszczenie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. Analiza krzywej F-D

  1. Wybierz odpowiedni pakiet oprogramowania do analizy danych. Wybierz i załaduj dane do analizy.
    UWAGA: Wielu producentów AFM i programów do przetwarzania obrazów AFM ma wbudowaną obsługę analizy krzywych F-D. Alternatywnie, zwiększona elastyczność i funkcje dedykowanego pakietu do analizy krzywych F-D, takiego jak pakiet oprogramowania AtomicJ o otwartym kodzie źródłowym, mogą być korzystne23, szczególnie w przypadku przetwarzania wsadowego i analizy statystycznej dużych zbiorów danych lub wdrażania złożonych modeli mechaniki kontaktu.
  2. Wprowadź skalibrowane wartości stałej sprężystości, DS i promienia końcówki sondy, wraz z oszacowaniami modułu Younga i współczynnika Poissona dla końcówki sondy (w oparciu o jej skład materiałowy) oraz współczynnika Poissona próbki.
    UWAGA: W przypadku korzystania z wgłębnika z diamentową końcówką można użyć wartości Etip = 1140 GPa i νtip = 0,07 21,24,25,26. W przypadku standardowej sondy krzemowej zwykle można użyć końcówki E = 170 GPa i końcówki ν = 0,27, chociaż moduł Younga krzemu różni się w zależności od orientacji krystalograficznej27.
  3. Wybierz model mechaniki kontaktu z nanotwardością odpowiedni dla końcówki i próbki.
    UWAGA: W przypadku wielu popularnych modeli końcówek sferycznych (np. Hertz, Maugis, DMT, JKR) konieczne jest, aby głębokość wgłębienia w próbce była mniejsza niż promień końcówki; w przeciwnym razie sferyczna geometria końcówki sondy ustępuje miejsca stożkowatemu lub piramidalnemu kształtowi (Rysunek 4C). W przypadku modeli stożkowych (np. Sneddon28) i piramidalnych, kąt połówkowy końcówki (tj. kąt między boczną ścianką końcówki a linią przecięcia prostopadłą do końca końcówki; Rysunek 4C) musi być znana i zwykle dostępna u producenta sondy. Więcej informacji na temat modeli mechaniki kontaktu można znaleźć w sekcji Analiza danych w thedDiscussion.
  4. Uruchom algorytm dopasowania. Sprawdź, czy krzywe F-D są prawidłowo dopasowane; niski błąd resztkowy odpowiadający średniej R2 bliskiej jedności (np. R2 > 0,9) zazwyczaj wskazuje na dobre dopasowanie do wybranego modelu29,30. Wyrywkowo sprawdź poszczególne krzywe, aby wizualnie sprawdzić krzywą, dopasowanie modelu i obliczone punkty kontaktowe, jeśli jest to pożądane (np. zobacz Rysunek 7 i sekcję Analiza danych w dyskusji).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Krzywe siły-przemieszczenia
Rysunek 7 pokazuje reprezentatywne, bliskie ideału krzywe F-D uzyskane z eksperymentów nanoindentacji przeprowadzonych w powietrzu na próbkach sosny zatopionej w żywicy (Rysunek 7A) i w płynie (sól fizjologiczna buforowana fosforanami [PBS]) na jądrach mezenchymalnych komórek macierzystych (MSC) (Rysunek 7B). Wykorzystanie dowolnego modelu mechaniki kontaktu opiera się na dokładnym i wiarygodnym określeniu początk...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Przygotowanie próbki
W przypadku nanowgłębienia w powietrzu typowe metody przygotowania obejmują kriosekcję (np. próbki tkanek), mielenie i/lub polerowanie, a następnie ultramikrotoming (np. próbki biologiczne zatopione w żywicy), mielenie jonowe lub przygotowanie skupionej wiązki jonów (np. próbki półprzewodnikowe, porowate lub o mieszanej twardości nienadające się do polerowania), polerowanie mechaniczne lub elektrochemiczne (np. stopy metali) lub osadzanie cienkowarstwowe (np. osadzanie warstwy a...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

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

Wszystkie eksperymenty AFM zostały przeprowadzone w Laboratorium Nauk Powierzchniowych Uniwersytetu Stanowego w Boise (SSL). Charakterystykę SEM przeprowadzono w Boise State Center for Materials Characterization (BSCMC). Badania przedstawione w tej publikacji dotyczące surowców do produkcji biopaliw były częściowo wspierane przez Departament Energii USA, Biuro Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej, Biuro Technologii Bioenergetycznych w ramach Konsorcjum Interfejsu Konwersji Surowców (FCIC) oraz w ramach umowy Biura Operacyjnego DOE Idaho DE-AC07-051ID14517. Badania nad mechaniką komórkową były wspierane przez National Institutes of Health (USA) w ramach grantów AG059923, AR075803 i P20GM109095 oraz przez National Science Foundation (USA) granty 1929188 i 2025505. Prace nad modelowymi układami dwuwarstwowymi lipidów były wspierane przez National Institutes of Health (USA) w ramach grantu R01 EY030067. Autorzy dziękują dr Eltonowi Graugnardowi za stworzenie złożonego obrazu pokazanego na rycinie 11.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Mikroskop sił atomowychBrukerDimension IconWykorzystuje oprogramowanie sterujące Nanoscope, w tym PeakForce Quantitative Nanomechanical Mapping (PF-QNM), FastForce Volume (FFV) i eksperymentalne przestrzenie robocze Point-and-Shoot Ramping
AtomicJAmerykański Instytut Fizykihttps://doi.org/10.1063/1.4881683Elastyczny, wydajny, bezpłatny pakiet oprogramowania do analizy krzywych sił oparty na języku Java o otwartym kodzie źródłowym. Obsługuje wiele modeli mechaniki kontaktowej, takich jak Hertz, Sneddon DMT, JKR, Maugis oraz stożek lub piramida (w tym i ścięty). Zawiera również różne metody szacowania początkowego punktu kontaktowego do wyboru. Obsługuje przetwarzanie wsadowe danych i późniejszą analizę statystyczną (np. średnie, odchylenia standardowe, histogramy, dobre dopasowanie itp.). Cytowanie w literaturze: P. Hermanowicz, M. Sarna, K. Burda, H. Gabryfigure-materials-1, “ AtomicJ: Oprogramowanie typu open source do analizy krzywych sił" Rev. Sci. Instrum. 85: 063703 (2014),
https://doi.org/10.1063/1.4881683 Roztwór buforowy (PBS)Fisher Chemical (NaCl), Sigma Aldrich (KCl), Fisher BioReagents (Na2HPO4 oraz KH2PO4)S271 (czystość >99% NaCl), P9541 (czystość >99% KCl), BP332(>99% czystości Na2HPO4), BP362 (czystość >99% KH2PO4)Sól fizjologiczna buforowana fosforanem (PBS) została przygotowana w laboratorium jako roztwór wodny składający się ze 137 mM NaCl, 2,7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4 i 1,8 mM KH2PO4 rozpuszczone w ultraczystej wodzie. Odczynniki odmierzano za pomocą wagi analitycznej, a szkło czyszczono wodą z mydłem, a następnie sterylizowano w autoklawie bezpośrednio przed użyciem.
chloroformu
BrukerPDNISPFabrycznie skalibrowana sonda kątowa z diamentowym (E = 1140 GPa) końcówka AFM (nominalna R = 40 nm) z wspornikiem ze stali nierdzewnej (nominalnie k = 225 N/m, f0 = 50 kHz). Stała sprężystości jest mierzona fabrycznie (k = 256 N/m dla sondy, numer seryjny #13435414, użyty tutaj), a dane kalibracyjne (w tym obrazy AFM wgłębień pokazujących geometrię sondy) są dostarczane z sondą.
Diamentowa tarcza ultramikrotomowaDiatomeUltra 35°Szerokość 2,1 mm. Użyto również standardowego szklanego ostrza do początkowego zgrubnego cięcia powierzchni próbki przed przejściem do ostrza diamentowego w celu końcowego przygotowania powierzchni
Żywica epoksydowaGorilla Glue26853-31-6i utwardzacz zmieszano w stosunku 1: 1, niewielką kroplę umieszczono na krążku na próbkę ze stali nierdzewnej (Ted Pella), a mikę muskowitową klasy V1 (Ted Pella) przymocowano, aby stworzyć atomowo płaską powierzchnię do przygotowania błon fosfolipidowych.
Biała żywica etanolowa
LR, średniej jakości (katalizowana)Electron Microscopy Sciences14381Butelka 500 ml, partia #150629
Mezenchymalne komórki macierzyste (MSC)N/AN/AMSC do badań nanomechanicznych były komórkami pierwotnymi pobranymi od 8-10 tygodniowych samców myszy C57BL/6, jak opisano w Goelzer, M. i wsp. "Lamina A/C jest zbędna do mechanicznej represji adipogenezy" Int J Mol Sci 22: 6580 (2021) doi:10.3390/ijms22126580 oraz Peister, A. i in. "Dorosłe komórki macierzyste ze szpiku kostnego (MSC) izolowane z różnych szczepów myszy wsobnych różnią się epitopami powierzchniowymi, szybkością proliferacji i potencjałem różnicowania" Blood 103: 1662-1668 (2004), doi:10.1182/blood-2003-09-3070.
Standardy modułuBrukerPFQNM-SMPKIT-12MUżywany HOPG (E = 18 GPa) i PS (E = 2,7 GPa). Zawiera również 2x PDMS (Tack 0, E = 2,5 MPa; Tack 4, E = 3,5 MPa), PS-LDPE (E = 2,0/0,2 GPa), stopiona krzemionka (E = 72,9 GPa), próbka szafiru (E - 345 GPa) i charakterystyka końcówki (chropowatość tytanu). Wszystkie próbki są wstępnie zamontowane na stalowej tarczy o średnicy 12 mm (krążek na próbkę).
Mika moskiewskaTed Pella50-12o średnicy 12 mm, klasa V1 Mika muskowitowa
Nanscope AnalysisBrukerVersion 2.0Darmowy pakiet oprogramowania do przetwarzania i analizy obrazu AFM, ale przeznaczony i zastrzeżony/ograniczony do AFM Bruker; podobna funkcjonalność jest dostępna w bezpłatnych, niezależnych od platformy pakietach oprogramowania do przetwarzania i analizy obrazów AFM, takich jak Gwyddion, WSxM i inne. Ma wbudowane możliwości analizy krzywej siły, ale AtomicJ jest bardziej elastyczny/w pełni funkcjonalny (np. więcej wbudowanych modeli mechaniki kontaktowej do wyboru, analiza statystyczna wyników dopasowania krzywej siły itp.) do analizy krzywych sił i obsługuje przetwarzanie wsadowe krzywych sił.
Fosfolipidy: POPC, Cholesterol (owiec)Avanti Polar LipidsPOPC: CAS # 26853-31-6, Cholesterol: CAS # 57-88-5Lipid POPC rozpuszczony w chloroformie (25 mg / mL) został uzyskany od dostawcy i użyty bez dalszego oczyszczania. Cholesterol w proszku od tego samego dostawcy został rozpuszczony w chloroformie (20 mg / ml). 
Uchwyt sondy (płyn, dwuwarstwy lipidowe)BrukerMTFML-V2Specyficzny dla konkretnego zastosowanego AFM; MTFML-V2 to szklany uchwyt sondy do skanowania w płynie na MultiMode AFM.
Uchwyt sondy (płyn, MSC)Skaner Z BrukerFastScan BioUżywany z głowicą Dimension FastScan (skanery zginające XY). Numer seryjny MXYPOM5-1B154.
Uchwyt sondy (standardowy, otoczenia)BrukerDAFMCHSpecyficzny dla konkretnego zastosowanego AFM; DAFMCH to standardowy uchwyt sondy kontaktowej i stukającej do Dimension Icon AFM, odpowiedni do nanotwardości (PF-QNM, FFV i ramping point-and-shoot)
Sample PuckTed Pella16218Numer produktu dotyczy krążka do próbek ze stali nierdzewnej o średnicy 15 mm. Dostępne również w średnicach 6 mm, 10 mm, 12 mm i 20 mm na
podłożu https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459 Szafirowym BrukerPFQNM-SMPKIT-12MEkstremalnie twarda powierzchnia (E = 345 GPa) do pomiaru czułości sond na ugięcie (chcesz, aby całe ugięcie pochodziło z sondy, a nie z podłoża). Część zestawu wzorców PF-QNM/modułu.
Skaningowy mikroskop elektronowyHitachiS-3400N-IIznajduje się w stanie Boise. Służy do wykonywania kolokowanego SEM/EDS na wszystkich próbkach z wyjątkiem Ti-6Al-4V wytwarzanych addytywnie (AM).
Silikonowe sondy AFM (standard)NuNanoScout 350Standardowa sonda silikonowa w trybie gwintowania z odblaskową aluminiową powłoką tylną; k = 42 N/m (nominalnie), f0 = 350 kHz. Nominalna R = 5 nm. Dostępne również w wersji niepowlekanej lub z odblaskową złotą powłoką tylną. Sondy o podobnych specyfikacjach są dostępne u innych producentów (np. Bruker TESPA-V2).
Silikonowe sondy AFM (sztywne)BrukerRTESPA-525, RTESPA-525-30 Sondy silikonowe z wytrawioną końcówką z odblaskową aluminiową powłoką tylną; k = 200 N/m (nominalnie), f0 = 525 kHz. Nominalna R = 8 nm dla RTESPA-525, R = 30 nm dla RTESPA-525-30. Stała sprężystości każdego RTESPA-525-30 jest mierzona indywidualnie w fabryce za pomocą laserowej wibrometrii dopplerowskiej i dostarczana z sondą.
Papier z węglika krzemu (krążki ścierne)Sondy50-10005o ziarnistości 120
(miękka półkulista końcówka o dużym promieniu)BrukerMLCT-SPH-5UM, MLCT-SPH-5UM-DCRównież MLCT-SPH-1UM-DC. Nowa linia produktów sond półkulistych (na końcu wału cylindrycznego o długości 23 mm) o dużym promieniu (R = 1 lub 5 mm) z fabrycznie skalibrowaną końcówką (na końcu wału cylindrycznego o długości 23 mm). DC = powłoka kompensacji dryftu. 6 wsporników/sonda (A-F). Nominalne stałe sprężystości: 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.
Sondy AFM z azotku krzemu (miękka, średnio ostra końcówka)WspornikiDNP4 (A-d). Nominalne stałe sprężystości: A, k = 0,35 N/m; B, k = 0,12 N/m; C, k = 0,24 N/m; D, k = 0,06 N/m. Nominalne promienie krzywizny, R = 10 nm.
Sondy AFM z azotku krzemu (miękka, ostra końcówka)BrukerScanAsyst-AirWartości nominalne: częstotliwość rezonansowa, f0 = 70 kHz; stała sprężystości, k = 0,4 N/m; promień krzywizny, R = 2 nm. Zaprojektowany do obrazowania AFM opartego na krzywej siły.
SuperglueHenkelLoctite 495Klej błyskawiczny na bazie cyjanoakrylanu. Wiele mniej więcej równoważnych produktów jest łatwo dostępnych.
Pompa strzykawkowaNew Era Pump SystemsNE1000USJednokanałowy system pompy strzykawkowej z możliwością infuzji i pobierania
Standard charakteryzacji końcówkiBrukerPFQNM-SMPKIT-12MTytan (Ti) wzorzec chropowatości. Część zestawu wzorców PF-QNM/modułu.
Azot o ultrawysokiej czystości (UHP N2), 99,999%NorcoSPG TUHPNI -Butla ze sprężonym gazem o ultrawysokiej czystości (99,999%) w rozmiarze T T azotu do suszenia próbek
UltramikrotomLeicaEM UC6Wyposażony w szklane ostrze (standardowe, do wstępnego przygotowania próbki) i diamentowe ostrze (do końcowego przygotowania)
Woda ultraczystaThermo FisherBarnstead Nanopure Model 7146Model został wycofany z produkcji, ale dostępne są jego odpowiedniki. Produkuje ≥ 18,2 MΩ*cm ultraczysta woda o TOC (całkowitej zawartości organicznej) 1-5 ppb, na monitorowanie UV w linii produkcyjnej. Zawiera 0,2 i mikro; m filtr cząstek stałych, kolumny jonowymienne i komora utleniania UV.
Szlifierka o zmiennej prędkościobrotowej BuehlerEcoMet 3000Używana z papierami z węglika krzemu podczas polerowania ręcznego.
Stół wibroizolacyjny (aktywny)HerzanTS-140Używany z Bruker MultiMode AFM. Siedzi na stole wibroizolacyjnym TMC 65-531. Bruker Dimension Icon AFM wykorzystuje ściśle pasywną izolację drgań (pochodzi od producenta z niestandardowym okapem akustycznym, stołem powietrznym i płytą granitową).
Stół wibroizolacyjny (pasywny)Stół wibroizolacyjnyTMC65-53135" x 30" z opcjonalnym tłumieniem powietrza (wyłączony). Używany z Bruker MultiMode AFM. Stół aktywnej kontroli drgań Herzan TS-140 "Table Stable" znajduje się na górze.
Sonda AFM z końcówką diamentową z AFM z azotku krzemu o ziarnistości Allied /sonda Bruker

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

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

Powiązane artykuły