Bearbetar Analys Nanoscale för den Mekaniska Egenskapen för Olika Material som använder AFM

Bordlägga av Tillfredsställer

Inledning
Kombinerad FörlustBerörings och Viscoelastic Kartlägga för AM-FM
FörlustBerörings
Viscoelastic Kartlägga för AM-FM
Modulering för KickFrekvensStyrka
Viscoelastic Kartlägga för KontaktResonans
Lodlinje Nanoindenting
Styrka Buktar, Styrka som Kartlägger och att Modellera för Styrka
    Styrka Buktar
    Kartlägga för Styrka
    Modellera för Styrka
Avslutning
Om AsylForskning

Inledning

Är den mekaniska rekvisitan för Överenskommelsenanoscale av grundbetydelse för att utvärdera uppförandet och kapaciteten av en bred variation av industrially, biologically och structurally viktiga material. En Atom- StyrkaMikroskop (AFM)spets som påverkar varandra med en ta prov, erfar styrkor som påbörjar från många olika källor - spänst, klibbighet, adhesion, skåpbil der Waals - för att namnge några. Hence har den blivit mer och mer fri som den pålitliga och exakta materialrekvisitan som mätningar kräver att se dina, tar prov i mer än en långt.  Singeltekniker är enkelt otillräckliga för exakt, och rigorously avslöja ta prov rekvisita och kunna ofta avkastningvilseledning och även felaktiga resultat och avslutningar.

Den NanomechPro™ verktygslådan (Figurera 1), för Asyl Cypher™ och MFP-3D™ AFMs ger ett följe av bearbetar för att möta kraven av nanomechanicsforskare och är både impressively kraftig och utvidga snabbt. Det olikt bearbetar är kompletterande - varje teknik sonderar, och tar prov olika svar för rekord av ditt - och ofta kan användas samtidigt (Figurerar e.g. 2a - D). Dessutom med Nollan AFM, kan många av dessa nya tekniker kombineras med litet, fastar, stojar low cantilevers och att möjliggöra mätningar på stoja jämnar och rusar föregående omöjligt.

Figurera 1. Den NanomechPro Verktygslådan består av ett följe av exakt bearbetar för att mäta den mekaniska rekvisitan för nanoscale av olika material. Det olikt bearbetar är kompletterande - varje teknik sonderar, och tar prov olika svar för rekord av ditt.

   

Figurera 2. Avbildar av) en smörgås från vänster till höger för Viton®/epoxy/EPDM (.  De kvantitativa FörlustBeröringsdatan som in visas (a) indikerar klart den högre FörlustBeröringsen av Vitonen. Styvheten mätas, genom att spåra resonansfrekvensen av understödjafunktionsläget (b) som löser klart skillnaden i resårmodulina av Vitonen (Stötta 78) och EPDMEN (Stötta A 58). AM--FMskingrandet, släkt till förlustmodulusen visas in (c).  Slutligen avbildar StyrkaModuleringsAmplituden (D) visar också styvheten som mätas med en understödjateknik, på mycket högre genomträngningsdjup som in ger kompletterande information till AM--FMresultaten (b).

Kombinerad FörlustBerörings och Viscoelastic Kartlägga för AM-FM

Amplitud-Modulerad (AM) atom- styrkamicroscopy, också som är bekant som knackande lätt på funktionsläge eller AC-funktionsläge, är bevisat, pålitlig och stillar att avbilda metod med utbredda applikationer. Föregående har kontrasten i knackande lätt på funktionsläge varit svår att kvantifiera. Emellertid i detta arbete introducerar vi två nya tekniker som låter otvetydig tolkning av materiell rekvisita i knackande lätt på funktionsläge: Viscoelastic Kartlägga för AM-FM (AM-FM) och FörlustBerörings.

Därför Att dessa mätningar göras samtidigt, finns det en inbyggd kontroll för själv-konsistens i mätningarna. Den nya AMEN-FM som avbildar tekniksammanslutningar särdragen och, gynnar av det knackande lätt på funktionsläget för det normala med det kvantitativt, kickkänslighet av funktionsläget för Frekvens (FM)Modulering. Både FörlustBeröringsen och att avbilda för AM-FM kan utföras samtidigt på kickdataförvärvet klassar. Dessa tekniker är exklusivt tillgängliga från AsylForskning, US-patent 8.024.963, 7.937.991, 7.603.891, 7.921.466 och 7.958.563 med andra som är oavgjorda.

FörlustBerörings

FörlustBeröringsen som avbildar (Figurera 2a), är en för en tid sedan introducerad kvantitativ teknik, som stöper om tolkningen av, arrangerar gradvis att avbilda in i en benämner som inkluderar både skingrat, och lagrad energi av spetsen tar prov växelverkan. Spets-ta prov växelverkan modulerar frekvensen av det resonant funktionsläget för understödja, Samtidigt. Den kvantitativa frekvensförskjutningen beror på ta provstyvheten och kan appliceras till en variation av läkarundersökningen modellerar. Dessa tekniker låter snabb låg styrka som avbildar i knackande lätt på funktionslägestunder som ger kvantitativ spänst, och FörlustBeröringsen avbildar.

Viscoelastic Kartlägga för AM-FM

Gynnar Viscoelastic Kartlägga (Figurera 2b, c), sammanslutningar för AM-FM särdragen och av det knackande lätt på funktionsläget för det normala (som kallas också FÖRMIDDAG) med fastar scanning och kvantitativt, funktionsläget för Modulering för kickkänslighets (FM)Frekvens. Den topographic återkopplingen fungerar i det knackande lätt på funktionsläget för det normala som ger non-invasive högkvalitativt avbilda. Frekvensen för understödjafunktionslägedrev är den justerade uppehället arrangera gradvis på 90 grader, på resonans.

Denna resonant frekvens är ett känsligt mäter av spets-ta prov växelverkan. Enkelt satt, tar prov ett mer styv förskjutningar som understödjaresonansen till ett högre värderar stunder, ett mer mjuk tar prov förskjutningar, den till ett lägre värderar. Detta kan konverteras in i en kvantitativ modulusmätning till och med en variation av mekaniskt modellerar (se styrka att modellera för att dela upp).

Som med konventionellt FM-funktionsläge, är AM-FM en kvantitativ teknik var konservativ person och de dissipative spets-tar prov växelverkan kan avskiljas. Var AM-FM skilja sig åt från FM, är att Z-Återkopplingen kretsar decoupleds fullständigt från FMEN kretsar, båda som förenklar väldeliga och den stabiliserande funktionen.

Modulering för KickFrekvensStyrka

Genom Att Använda AM--FMcantileverhållaren (Figurera 3), har vi andats nytt liv in i tekniken av traditionell styrkamodulering. Denna cantileverhållare låter styrkamodulering utföras över en lång räcka av frekvenser på kickamplituder. Således ger den nya moduleringen för kickfrekvensstyrka ökande, och ofta unikt olik kontrast som ska avslöjas, tar prov mekanisk rekvisita med applikationer i många nya områden (Figurera 2d).

Kontakta Viscoelastic Kartlägga för Resonans

KontaktResonans (CR) Viscoelastic Kartlägga AFM är en teknik för kontaktfunktionsläge som ta prov aktiveras i på kontaktresonansfrekvensen till kvantitativa mätningar för avkastning av resårmodulusen (Figurera 4). Framkallat i den sena 90-tal för bruk på mycket styva material (>50 GPa), involverade mätningar för CRtekniker placerar ursprungligen på fixad på en ta prov. I det sist årtiondet anpassades CRmetoder för kvantitativt avbilda (kartlägga) av resårmodulusen. I de sist två eller tre åren har CRtekniker vidare ändrats för bruk på mer eftergiven material (modulusen ~1 GPa till 10 GPa) och för mätningar av viscoelastic rekvisita.

Vårt privat DubbelAC™-ResonansSpårning (DART) och Musikband Magnetiserings som (BE)tekniker låter kontaktresonansen avbildas på hög frekvens på en variation av, tar prov. Figurera 4 shows som en PIL avbildar av en 80/20polypropylene-/polystyrenblandning. Därför Att både resonansfrekvensen och det kvalitets- dela upp i faktorer mätas med PILEN, kan vi avkänna både skillnader i spänsten och skillnader i skingrandet.

Figurera 3. AM--FMcantileverhållaren krävs för AM-FM som avbildar och, har också föryngrat den traditionella styrkamoduleringstekniken med ökad visade kapacitet och mer bred applikationer (är CantileverHållaren för Nollan AM-FM). 

Figurera 4. 4.5μm x 9μm kontakt somresonans avbildar av cryotomed, ytbehandlar av en 80/20polypropylene-/polystyrenblandning. Det beräknade Kvalitets- dela upp i faktorer målat på den framförda topografin visas att in (a) och kontaktresonans f0 på topografi visas in (b). Skärm för PP- och PS-regionerna mindre kontrast i f0 som är jämn med en liten skillnad i deras moduli för bulk lagring, fördriver den högre kontrasten i Q mellan PP, och PS är jämn med en stor skillnad i deras bulk förlustmoduli. Anpassat från Gannepalli o.a. Nanotechnology 22 355705 (2011).

Lodlinje Nanoindenting

MFPEN NanoIndenter är en riktig instrumenterad indenter och är den första AFM-baserade indenteren som inte använder cantilevers som del av den inryckande mekanismen. Dessa kännetecken och bruket av statlig-av--konst AFM-avkännare ger verkliga fördelar i exakthet, precision och känslighet över andra nanoindenting system. I Motsats Till cantileverindenters flyttningarna för MFP NanoIndenter den inryckande spetsperpendicularen till ytbehandla. Denna lodlinje vinkar undviker de sidorörelsen och felen som är naturlig i cantilever-baserade system. Jämfört till konventionella kommersiell-tillgängliga instrumenterade nanoindenters, ger MFPEN NanoIndenter lägre upptäckt begränsar och högre upplösningsmätningar av styrka och inryckningsdjup med den överlägsna precisionen av AFM som avkänner teknologi.

Indenteren integreras fullständigt med AFMEN som ger den unika kapaciteten att kvantifiera kontaktområden, genom att utföra AFM-metrology av båda den inryckande spetsen och den resulterande inryckningen (Figurera 5 och 6). Dessa riktar mätningar möjliggör analys av materiell rekvisita med aldrig tidigare skådad exakthetssläkting till indirekta beräkningsmetoder. Designen använder passivumaktivering till och med en monolitisk flexure och att minimera driva och annan djupgående mätning för fel.

Positioneringexaktheten i den plana ta prov är under-nanometeren som använder den stängda MFPEN-3D, kretsar nanopositioning avkännare. Det NanoIndenter Huvudet använder avancerad diffraction-begränsad optik som kopplas ihop med CCD, avbildar tillfångatagandet för precisionnavigering av spetsen till områden av intresserar på ta prov.

Detta högt kvantitativt bearbetar, kombinerat med kick-avslutar AFM-kapaciteter, avbrott som nytt slipat i karakteriseringen av olika material gör tunnare däribland filmar, beläggningar, polymrer, biomaterials och många andra.

Figurera 5. Inryckning på dentinen (som lämnas av sprickan) och emalj (rätt). Alla som inryckningarna i varje ror (man ror cirklas), var skapas med det samma maximat styrka. De mindre inryckningarna på emaljen visar, att den är mer hård än dentinen, den 70µm bildläsningen. Motsvarande styrka buktar visas in Figurerar 6. Ta Prov artighet D. Wagner och S. Cohen, det Weizmann Institutet av Vetenskap. 

Figurera 6. Inryckningsstyrka buktar på emalj (som lämnas uppsättningen av buktar, mer styv), och dentinen (den högra uppsättningen av buktar, mer mjuk). Variability lyder både verklig materiell variation, och kontaktområde verkställer som kan kvantifieras med AFM avbildar av inryckningar.

Styrka Buktar, Styrka som Kartlägger och att Modellera för Styrka

Styrka Buktar

Beloppet av styrka som erfaras av cantileveren som sondspetsen, kommas med in mot, i kontakt med, och/eller draget i väg från ta prov ytbehandla, som visat in Figurera 7 mätas av styrkan buktar. Detta processaa kan upprepas på ett singelläge eller som sonden är rörd till olikt, placerar på ta prov ytbehandlar, som visat in Figurera 6.

Styrka buktar används för att undersöka den mekaniska rekvisitan av lik adhesion för material, hårdhet och spänst såväl som lik frändskap för kemiska kännetecken av ett nummer av funktionella grupper för andra och intra och intermolecular förbindelsestrykor och hopfällbara strykor.

Kartlägga för Styrka

Att kartlägga för Styrka är en dataförvärvteknik som används i konsert med olik styrka buktar analysrutiner för visualization av den 2D fördelningen av tar prov rekvisita. För styrka som kartlägger, buktar en XY samling av styrka, tas på regelbundet görade mellanslag mellanrum över ta prov ytbehandlar. Den resulterande samlingen av styrka buktar ses ofta till, som en Styrka Kartlägger eller en StyrkaVolym.

Användaren specificerar först ett område av intresserar, vanligt, genom endera att ta en AFM-bildläsning av området eller genom optiskt att arrangera i rak linje AFM-bildläsningsområdet med ta prov. En Gång storleksanpassar den önskade samlingen, och datatäthet (eller, numrera av styrka buktar per område), är fastställdt, de XY piezo flyttningarna ta prov under spetsen och styrka buktar tas på de specificerade lägena.

Data sparas, som åtskild styrka buktar för mer sistnämnd analys, och olika automatiserade analysrutiner kan därefter utföras. Till exempel kartlägger en höjd kan beräknas från starta pekar av varje buktar, kartlägger adhesion kan beräknas från maximat pekar av adhesion på varje läge, och spänst modellerar kan appliceras till varje styrka buktar. Resultaten av analysen konspireras, som 2D pseudo-färgar avbildar. Denna 2D avbildar kan justeras som precis någon AFM avbildar, och kan också användas för överdrar med data för topografi 3D eller med optiska microscopydata (Figurera 8). Denna är en kraftig teknik, som den låter för riktar korrelation av funktionell information till strukturella data.

Figurera 7. Styrka buktar visninginryckningen på en polyacrylamidegel. En AFM-spets inryckades på en substrate för polyacrylamidegel som användes för cellkultur. Gelen fabricerades för att ha en modulus av Pa ungefärligt 700. Applicera Hertz modellera (den streckade svarten fodrar), till inryckningsdelen av de röda) showsna för bukta (en mätt modulus av Pa 720, i bra överenskommelse med förväntad värderar.

Figurera 8. Tvinga att Kartlägga som används för att avbilda och, ta prov egenskapsmätningar. De optiska arrangerar gradvis kontrast avbildar av en cell med cantileveren som svävar över den, och med en optiskt definierad region av intressera (rött boxas), för att kartlägga för styrka visas in (a). Och analyserat genom att använda Hertz modellera (se nedanför förklaring), Efter den topographic bildläsningen för AFM (b), spänststyrkan har kartlagt togs, och modulusen värderar konspirerades och visade, som 2D avbildar (c). Modulusen kartlägger överdrades på AFM-topografin avbildar och framförde i 3D genom att använda den AsylARgyle programvaran in (D).

Figurera 9. En samling 16x16 av styrka buktar togs över ett 20µm område av en polyacrylamidegel som fabriceras på en glass coverslip. Asyl kapacitet för ModeMaster™ var inbyggd programvara van vid automatiserar förvärvet av tre som separat styrka kartlägger på det samma området. Hastigheten av cantileveren var omväxlande (20µm, 2µm och 0.2µm) mellan varje styrka kartlägger och kontrollerade vid LVDT-avkännaren. Varje buktar var inpassat genom att använda Hertz-Sneddon modellerar, och samma modellerar antaganden användes för varje passform (som utförs automatiskt i analysprogramvaran). När varje styrka kartlägger var inpassad, avbildar histogram av den Young modulusen för varje gjordes och konspirerades på den samma axeln. De Gaussian buktar passande fungerar var van vid bestämmer det genomsnittligt +/- standardavvikelse värderar av varje serie av modulii. Datan föreslår, när endast hastigheten är omväxlande olika moduli mätas, när de använder de samma modellera parametrarna.

Modellera för Styrka

Asyl AFM-programvara inkluderar olika matematiska modellerar som appliceras till styrka buktar data för att bestämma en prövkopias mekaniska rekvisita (Figurera e.g. 7). Tack vare tar prov den breda variationen av typer, som kan analyseras med AFM som är inga modellerar kan vara van vid bestämmer korrekt rekvisitan tar prov allra. Vidare modellerar mest rely på antaganden om spetsen, ta prov, eller denta prov kontakten, som kan ändra bland olikt tar prov, eller, kanske huvudsakligen, även över olik styrka buktar för samma tar prov. Till exempel är spetsgeometri avgörande, när du analyserar inryckningsdata, så olika geometrier kan modelleras (kotten, sphere, stansar, kuben tränga någon, Berkovich, etc.…), att att redogöra för den breda variationen av standarda och ändrade AFM-spetsar, förutom instrumenterad indenter tippar. I varje modellera Asylprogramvaran låter för att olika antaganden ändras som behövda av utredaren. Inklusive i Asylprogramvaran var:

  • Hertz/Sneddon Modellerar: Detta populärt modellerar appliceras till många tar prov analyserat av AFM och används allmänt, när inryckningen antas för att vara på fullständigt en resår, non-bindemedel, homogent materiellt (Figurera 7). Detta modellerar används brett i biologi, var den mekaniska rekvisitan av celler och deras miljö har funnits till påverkan fungerar. Figurera 9 shows som histogrammen för tre samlingar 16x16 av styrka buktar, som togs på tre olika hastigheter över ett 20µm område av en polyacrylamidegel som fabricerades på en glass coverslip. De Gaussian buktar passande fungerar var van vid bestämmer det genomsnittligt +/- standardavvikelse värderar av varje serie av moduli. Datan föreslår att, när endast hastigheten, som datan togs på, är omväxlande, olika moduli mätas när de använder de samma modellera parametrarna.
  • Oliver-Pharr Modellerar: Detta modellerar används, när ta prov ställer ut permanent plast- deformering. Det används mestadels på data erhållande med instrumenterad inryckningsapparatnågot liknande AsylForskningen NanoIndenter. Det används omfattande i materialvetenskaper.
  • Johnson-Kendall-Roberts (JKR) Modellerar: JKRNA modellerar används, när det finns den starka adhesive kontakten mellan spetsen och ta prov, och när storleksanpassa av spetsen är stort som jämförs till inryckningen på ta prov.
  • Derjaguin-Mulleren-Toporov (DMT) Modellerar: DMTEN modellerar är användbar för tar prov som har svagt bara adhesive styrkor som kan spåras, och när spetsen storleksanpassar, är litet som jämförs för att ta prov inryckningen. Gilla JKREN modellerar, DMT är starta att se mer utbredd applikation till olika områden av inryckningsanalys.
  • Modellera Valet Vägleder, det inklusive plasticityindexet, förhållandet för styrka/adhesion och Tabor den Samverka beräkningen.

Asyl artikel med ensamrätt modellerar val vägleder analyserar olika parametrar för att vägleda användaren till den mekaniska anslå modellerar mest för deras data. Till exempel när det finns, spets-ta prov adhesion, den ska programvaran meddelar användaren att Hertz modellerar inte är att anslå, och att en modellera, som inkluderar adhesion bör användas. De beräknade valparametrarna visas alltid till användaren, så att ett informerat beslut kan göras. Extra specificera, och exempel av den olika styrkan som modellerar tekniker, ges någon annanstans.

Avslutning

Som diskuterat, är den nanomechanical rekvisitan för överenskommelse av grundbetydelse för att utvärdera uppförandet och kapaciteten av en bred variation av industrially, biologically och structurally viktiga material. På grund av komplexiteten av dessa material som är ingen bearbeta ger den specificerade och exakta informationen som krävs för dessa utvärderingar.

Den NanomechPro verktygslådan för
Asyl Nolla och MFP-3D AFMs ger ett följe av bearbetar för att hjälpa forskare att undersöka och förstå dessa mekaniska rekvisita för nanoscale för en lång räcka av material - dessa inkluderar spänst, klibbighet, adhesion och skåpbil der Waals styrkor, bland andra. Den olika NanomechProen bearbetar är kompletterande - varje teknik sonderar, och tar prov olika svar för rekord av ditt. Dessa bearbetar kan ofta användas samtidigt, och flera av dessa tekniker är privat till AsylForskning, att ge forskare med exakt, och otvetydig information som inte är tillgänglig med någon annan, bearbetar.

Om AsylForskning

AsylForskning är teknologiledare i atom- styrka och scanningsondmicroscopy (AFM/SPM) för både material och bioscienceapplikationer. Grundat i 1999, är de ett anställd ägt företag som är hängivet till innovativ instrumentation för nanoscience, och nanotechnology, med över 250 år kombinerad AFM/SPM erfar bland vårt bemannar.

Deras instrumenterar används för en variation av nanoscienceapplikationer i materiell vetenskap, fysik, polymrer, kemi, biomaterials, och bioscience, mekaniska experiment för inklusive singelmolekyl på DNA, proteinuppveckling och polymerspänst såväl som styrkamätningar för biomaterials, kemisk avkänning, polymrer, colloidal styrkor, adhesion och mer.

Denna information har varit sourced, granskad och anpassad från material förutsatt att av AsylForskning.

Behaga besökAsylForskning För mer information på denna källa.

Date Added: Sep 5, 2012 | Updated: Jan 11, 2013

Last Update: 11. January 2013 12:23

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit