Nanoscale 不同的材料的机械性能分析使用 AFM 工具

目录

简介
联合的损失正切和 AM-FM 黏弹性映射
损失正切
AM-FM 黏弹性映射
高频率强制模块化
联络共鸣黏弹性映射
垂直的 Nanoindenting
强制曲线,映射的强制和强制塑造
    强制曲线
    强制映射
    强制塑造
结论
关于收容所研究

简介

了解机械性能的 nanoscale 是行业,生物和结构上评估的工作情况和性能根本重要各种各样重要材料。 配合与范例的 (AFM)一个基本强制显微镜技巧体验强制起源于许多不同的来源的 - 弹性,黏度,黏附力, van der Waals - 命名一些。 因此,变得越来越清晰,可靠和准确有形资产评定要求查看您的范例用超过一种方式。  唯一技术为准确地是完全不足的和严谨地显示的范例属性,并且可能经常产生误引和甚而不正确的结果和结论。

NanomechPro™工具套件 (收容所的 Cypher™和 MFP-3D™的 AFMs 图 1) 提供工具套件符合 nanomechanics 研究员的要求并且感人地是强大和迅速地扩展。 多种工具是补充的 - 每个技术探查并且记录您的范例不同的回应 - 和可以同时经常使用 (即图 2a - d)。 另外,与密码 AFM,许多这些新的技术可以与小,快速,低噪声悬臂结合,启用评定以以前不可能的噪声级和的速度。

图 1。 NanomechPro 工具套件包括套件为评定不同的材料 nanoscale 机械性能的准确工具。 多种工具是补充的 - 每个技术探查并且记录您的范例不同的回应。

   

Viton®/epoxy/EPDM (左到右) 三明治的图 2. 图象。  在 (a) 显示的定量损失正切数据明显地指示 Viton 的更高的损失正切。 僵硬通过跟踪在 Viton 的弹性模数的,明显地解决这个区别 (请支持 78) 和 EPDM 的第二个模式 (b) 的共鸣频率评定 (请支持 A 58)。 AM-FM 散逸,与损失模数有关在 (c) 显示。  终于,强制模块化高度图象 (d) 在 (b) 也显示僵硬评定与第二个技术,在更高的有效肤深,补充情报给 AM-FM 结果。

联合的损失正切和 AM-FM 黏弹性映射

调幅的 (AM)基本强制显微学、亦称开发的模式或者 AC 模式,是与普遍应用的一个证明的,可靠和柔和的想象方法。 以前,对比在开发的模式下是难定量。 然而,在此工作我们引入在开发的模式下允许有形资产毫不含糊的解释的二个新的技术: AM-FM 黏弹性映射 (AM-FM) 和损失正切。

由于这些评定同时做,有自一贯性的内部校验在评定。 新的 AM-FM 成象技术与调频模式定量,高区分结合正常开发的模式的功能和福利 (FM)。 损失正切和 AM-FM 想象可以同时执行以高数据收集费率。 这些技术从收容所研究,与待定的其他的美国专利 8,024,963, 7,937,991, 7,603,891, 7,921,466 和 7,958,563 完全是可得到。

损失正切

损失正切想象 (图 2a) 是重铸阶段想象解释到一个术语包括技巧范例交往的被驱散和储能的一个最近被引入的定量技术。 同时,技巧范例交往调整第二个共振模式的频率。 定量频移取决于范例僵硬,并且可以适用于各种各样的物理模型。 这些技术在开发的模式下允许高速,低强制想象,当提供定量弹性和损失正切图象时。

AM-FM 黏弹性映射

AM-FM 黏弹性映射 (图 2b, c) 与快速扫描和定量,高区分调频模式结合 (也称上午的) 正常开发的模式的功能和福利 (FM)。 地形学反馈在正常开发的模式下运行,提供非侵入性,优质想象。 调整第二个模式推进频率保留这个阶段在 90 度,在共鸣。

此谐振频率是技巧范例交往的一个敏感评定。 简而言之,当一个更软的范例转移它到更加低值的时,一个更加僵硬的范例转移第二共鸣到一个上限值。 这可以被转换成一个定量模数评定通过各种各样的机械设计 (参见强制塑造部分)。

与常规 FM 模式, AM-FM 是保守和消散的技巧范例交往可以分隔的一个定量技术。 那里 AM-FM 与 FM 有所不同是 Z 反馈循环从 FM 循环完全地被分离,非常地简化的两个和稳定的运算。

高频率强制模块化

使用 AM-FM 悬臂式持有人 (图 3),我们把注入新的寿命到传统强制模块化技术。 此悬臂式持有人允许强制模块化执行在各种各样的频率在高高度。 因此,新的高频率强制模块化提供增加的和经常唯一地另外对比显示与应用的范例机械性能在许多新的区域 (图第 2)。

联络共鸣黏弹性映射

联络共鸣 (CR)黏弹性映射的 AFM 是这个范例开动以联络共鸣频率产生弹性模数的联系模式技术 (图 4) 的定量评定。 20世纪 90年代末开发为在非常僵硬的材料 (>50 GPa) 的使用,哥斯达黎加技术原来地介入评定在一固定位置在范例。 在最后十年,哥斯达黎加方法为定量想象 (映射) 适应弹性模数。 在最近二或三年,进一步修改了哥斯达黎加技术为在更加兼容的材料 (模数 ~1 GPa 的使用到 10 GPa) 和的黏弹性属性的评定。

我们的所有权双重 AC™共鸣跟踪 (DART)和范围励磁 (BE)技术允许联络共鸣是印象的以在各种各样的范例的高速率。 图 4 显示 80/20 聚丙烯/多苯乙烯混合的一个箭图象。 由于共鸣频率和质量因素评定与箭,我们可以检测在弹性上的在散逸上的区别和区别。

图 3。 AM-FM 悬臂式持有人对于 AM-FM 想象是必需的和也振兴了与被添加的功能和更加清楚的应用的传统强制模块化技术 (显示是密码 AM-FM 悬臂式持有人)。 

图 4。 80/20 聚丙烯/多苯乙烯混合的 cryotomed 表面的 4.5μm x 9μm 联络共鸣图象。 在被回报的地势绘的被计算的质量因素在 (a) 显示,并且在地势的联络共鸣 f0 在 (b) 显示。 页和 PS 地区显示在 f0 的较少对比一致与在他们的大容量存储器模数上的一个小的区别,而大反差在页和 PS 之间的 Q 与在他们的批量损失模数上的一个大区别是一致的。 等适应从 Gannepalli 纳米技术 22 355705 (2011)。

垂直的 Nanoindenting

MFP NanoIndenter 是真的被导航的受托代购商并且是作为这个缩进的结构一部分,不使用悬臂的第一基于 AFM 的受托代购商。 这些特性和使用科技目前进步水平 AFM 传感器提供在准确性、精确度和区分的大量的好处在其他 nanoindenting 的系统。 不同于悬臂式受托代购商, MFP NanoIndenter 移动缩进的技巧垂线向表面。 此垂直运动避免在基于悬臂式的系统是内在的侧向移动和错误。 与常规商业可用的被导航的 nanoindenters 比较, MFP NanoIndenter 提供更低的检测极限和强制和凹进深度的更加高分辨率的评定以感觉技术的 AFM 优越精确度。

受托代购商完全地集成与 AFM,提供唯一能力定量联系范围通过执行两个的 AFM 计量学这个缩进的技巧和发生的凹进 (图 5 和 6)。 这些直接测量启用对与史无前例的准确性相对间接计算方法的有形资产的分析。 这个设计通过一个整体弯曲、使减到最小的偏差和其他错误详细评定使用被动驱动。

使用 MFP-3D 闭合电路 nanopositioning 的传感器,在范例飞机的确定的准确性是子毫微米。 NanoIndenter 题头为这个技巧的精确度定位使用先进的衍射极限的光学加上 CCD 图象获取对兴趣范围在这个范例。

此高度定量工具,结合以高端 AFM 功能,在不同的材料的描述特性开辟新天地包括薄膜、涂层、聚合物,生物材料和许多其他。

在牙质 (精锐部队) 和搪瓷的图 5. 凹进 (正确)。 在每行的凹进 (一行盘旋) 是用同一最大强制创建的全部。 在搪瓷的更小的凹进展示比牙质困难, 70µm 扫描。 对应的强制曲线在表 6. 范例礼貌 D. Wagner 和 S. 科恩,科学 Weizmann 学院显示。 

在搪瓷 (左套曲线,更加僵硬) 和牙质 (正确套的图 6. 凹进强制曲线曲线,更软)。 可变性服从可以定量与凹进的 AFM 图象的实际物质差异和联系范围作用。

强制曲线,映射的强制和强制塑造

强制曲线

悬臂体验的力量作为探测技巧带来往,与联系,并且/或者拉远离范例表面如图 7 所显示由强制曲线评定。 此进程可以在一个唯一地点被重复或如图 6. 所显示,当探测被移动向在范例表面的不同的位置。

强制曲线为检查材料机械性能象黏附力的、坚硬和弹性以及化学制品特性象很多官能团的亲合力其他和内部和分子间的接合强度的和折叠力量使用。

强制映射

强制映射是使用协力多种强制曲线分析程序为范例属性的第 2 个配电器形象化的一个数据收集技术。 对于映射的强制, X - Y 的一些强制曲线被采取在范例表面间的有规律地空间的间隔。 发生的一些强制曲线经常指强制映射或强制数量。

这个用户首先指定兴趣范围,通常通过采取区的 AFM 扫描或通过光学对齐 AFM 扫描区与这个范例。 一次期望列阵范围和数据密度 (或,强制的编号每区弯曲) 设置, X - Y 的压力移动在技巧和强制曲线下的范例在指定的地点被采取。

数据被保存作为最新分析的分离强制曲线,并且多种自动分析程序可能然后执行。 例如,高度映射可以从触发器点每曲线被计算,黏附力映射可以从最大问题的在每个地点的黏附力被计算,并且弹性设计可以被运用于每强制曲线。 这个分析的结果被密谋,第 2 个假颜色图象。 此第 2 个图象被调整正所有 AFM 图象,并且可能为重叠也使用有 3D 地势数据的或有光学显微学数据的 (图 8)。 因为它允许功能信息的正相关对结构上的数据,这是一个强大的技术。

图 7. 显示在聚丙烯酰胺凝胶上的强制曲线凹进。 AFM 技巧缩进在用于细胞培养的聚丙烯酰胺凝胶基体上。 这个胶凝体被制造有大约 700 Pa 的模数。 运用赫兹设计 (该死的黑色线路) 于曲线的凹进零件 (红色) 在与期待值的利益协定显示 720 Pa 的一个被评定的模数。

图 8. 用于想象和范例属性评定的强制映射。 一个细胞的光学阶段对比图象与悬臂式盘旋在它和与一个光学上被定义的区域利益 (红色配件箱) 强制映射的在 (a) 显示。 在 AFM 地形学扫描 (b),弹性强制映射被采取了并且被分析了使用赫兹设计 (后参见如下说明) 和模数值被密谋了并且显示了作为第 2 个图象 (c)。 使用在 (d)的收容所 ARgyle 软件模数映射在 3D 被覆盖了在 AFM 地势图象上并且被回报了。

图 9。 16x16 一些强制曲线被接管了在玻璃盖玻片制造的聚丙烯酰胺凝胶的 20µm 区。 收容所的 ModeMaster™固定软件功能用于自动化三不同强制映射的购买在同一区的。 悬臂的速度变化 (20µm, 2µm 和 0.2µm) 在每强制映射之间并且是由 LVDT 传感器控制的。 每曲线适合了使用赫兹Sneddon 设计,并且同样模型假定为中的每一个使用了适合了 (自动地执行在分析软件)。 一旦每强制映射适合了,年轻的模数的直方图每个图象的在同一个轴做并且被密谋了。 高斯曲线拟合功能用于确定 modulii 每系列的平均 +/- 标准偏差值。 数据建议什么时候变化仅速度,不同的模数被评定,当曾经同样塑造的参数时。

强制塑造

收容所的 AFM 软件包括即被运用于强制曲线数据确定范例的机械性能的多种数学模型 (图 7)。 由于的范例类型多种多样可以分析与 AFM,设计不可以用于正确地确定所有范例属性。 进一步,多数设计依靠关于这个技巧、这个范例或者可能,或许更加重要地,更改在不同的范例中或甚而在同一个范例的不同的强制曲线间的技巧范例联络的假定。 例如,技巧几何是关键的,当分析凹进数据时,因此多种几何可以被塑造 (锥体、范围、打孔机、多维数据集角落, Berkovich,等等) 占标准多种多样,并且被修改的 AFM 技巧,除被导航的受托代购商之外打翻。 在每个设计收容所软件允许多种假定被修改如需要由这位调查员。 在收容所软件包括:

  • 赫兹/Sneddon 设计: 此普遍的设计被运用于 AFM 分析的许多范例和一般使用,当凹进假设在充分地有弹性,无粘着力,同源材料时 (图 7)。 此设计在生物广泛使用,细胞机械性能和他们的环境被找到对影响函数。 图 9 显示三 16x16 一些的直方图被采取在玻璃盖玻片制造的聚丙烯酰胺凝胶 20µm 区的三不同速度的强制曲线。 高斯曲线拟合功能用于确定模数每系列的平均 +/- 标准偏差值。 数据建议,当数据被采取时变化仅的速度,不同的模数被评定,当曾经同样塑造的参数时。
  • 奥利佛史东Pharr 设计: 使用此设计,当这个范例陈列永久性时,塑料变形。 它在数据主要使用得到与象收容所研究 NanoIndenter 的被导航的凹进设备。 它在材料学广泛地使用。
  • 约翰逊肯德尔罗伯特 (JKR)设计: 使用 JKR 设计,当有在这个技巧和这个范例之间时的严格的黏着性联络,并且,当这个技巧的范围大与在这个范例时的凹进比较。
  • Derjaguin 研磨器Toporov (DMT) 设计: DMT 设计为有弱,但是可发现的黏着力的范例是有用的,并且,当技巧范围是小的与范例凹进比较时。 象 JKR 设计, DMT 开始发现更加分布广的应用到凹进分析多种区。
  • 模型选择指南,包括可塑性索引、强制/黏附力比例和塔博尔系数计算。

收容所的独有的模型选择指南分析多种参数引导这个用户到他们的数据的最适当的机械设计。 例如,当有技巧范例黏附力,这个软件将通知这个用户赫兹设计不是适当的,并且包括黏附力的设计应该使用。 被计算的选择参数总是被显示给这个用户,以便消息灵通的决定可以做出。 在别处提供塑造技术的多种强制的附加明细和示例。

结论

作为讨论,了解的 nanomechanical 属性是行业,生物和结构上评估的工作情况和性能根本重要各种各样重要材料。 由于这些材料的复杂,工具不提供对于这些评估是必需的详细和准确信息。

收容所的密码和 MFP-3D 的 AFMs NanomechPro 工具套件提供工具套件帮助这位研究员检查和了解各种各样的材料的这些 nanoscale 机械性能 - 这些包括弹性、黏度、黏附力和 van der Waals 强制,除了别的以外。 多种 NanomechPro 工具是补充的 - 每个技术探查并且记录您的范例不同的回应。 可能同时经常使用这些工具,并且几个这些之中技术是所有权的对收容所研究,提供这位研究员以准确和毫不含糊的信息不可用对其他工具。

关于收容所研究

收容所研究是在基本强制和扫描探测显微学 (AFM/SPM) 的技术领先者材料和生物科学应用的。建立,在 1999年他们是员工拥有的公司投入 nanoscience 的创新手段和纳米技术,与在 250 年期间在我们的人员中的联合的 AFM/SPM 经验。

他们的仪器为各种各样的 nanoscience 应用使用在材料学、物理、聚合物、化学、生物材料和生物科学,包括唯一分子机械实验在脱氧核糖核酸、蛋白质展开和聚合物弹性,以及强制评定生物材料,化工感觉,聚合物、胶质强制,黏附力和更多的。

此信息是来源,复核和适应从收容所研究提供的材料。

关于此来源的更多信息,请参观收容所研究。

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

Last Update: 11. January 2013 12:19

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