Microscopia a forza atomica Nanoindentazione basata su sbalzo: misure di proprietà meccaniche su scala nanometrica in aria e fluido

Summary

La quantificazione dell’area di contatto e della forza applicata dalla punta di una sonda a forza atomica (AFM) su una superficie del campione consente la determinazione delle proprietà meccaniche su scala nanometrica. Vengono discusse le migliori pratiche per implementare la nanoindentazione basata su sbalzo AFM in aria o fluido su campioni morbidi e duri per misurare il modulo elastico o altre proprietà nanomeccaniche.

Abstract

Un microscopio a forza atomica (AFM) misura fondamentalmente l’interazione tra la punta di una sonda AFM su scala nanometrica e la superficie del campione. Se la forza applicata dalla punta della sonda e la sua area di contatto con il campione possono essere quantificate, è possibile determinare le proprietà meccaniche su scala nanometrica (ad esempio, elastico o modulo di Young) della superficie da sondare. Qui viene fornita una procedura dettagliata per eseguire esperimenti quantitativi di nanoindentazione basati su cantilever AFM, con esempi rappresentativi di come la tecnica può essere applicata per determinare i moduli elastici di un’ampia varietà di tipi di campione, che vanno da kPa a GPa. Questi includono cellule staminali mesenchimali vive (MSC) e nuclei in tampone fisiologico, sezioni trasversali di pino loblolly disidratate incorporate in resina e scisti di Bakken di varia composizione.

Inoltre, la nanoindentazione basata su sbalzo AFM viene utilizzata per sondare la resistenza alla rottura (cioè la forza di rottura) dei doppi strati fosfolipidici. Importanti considerazioni pratiche come la scelta e lo sviluppo del metodo, la selezione e la calibrazione della sonda, l’identificazione della regione di interesse, l’eterogeneità del campione, le dimensioni e le proporzioni delle caratteristiche, l’usura della punta, la rugosità della superficie e l’analisi dei dati e le statistiche di misurazione sono discusse per aiutare la corretta implementazione della tecnica. Infine, viene dimostrata la co-localizzazione di mappe nanomeccaniche derivate da AFM con tecniche di microscopia elettronica che forniscono ulteriori informazioni sulla composizione elementare.

Introduction

Comprendere le proprietà meccaniche dei materiali è uno dei compiti più fondamentali ed essenziali in ingegneria. Per l’analisi delle proprietà dei materiali sfusi, sono disponibili numerosi metodi per caratterizzare le proprietà meccaniche dei sistemi di materiali, tra cui prove di trazione¹, prove di compressione² e prove di flessione (flessione) a tre o quattro punti³. Mentre questi test su microscala possono fornire informazioni preziose sulle proprietà dei materiali sfusi, sono generalmente condotti fino al fallimento e sono quindi distruttivi. Inoltre, mancano della risoluzione spaziale necessaria per studiare accuratamente le proprietà su micro e nanoscala di molti sistemi di materiali che sono di interesse oggi, come film sottili, materiali biologici e nanocompositi. Per iniziare ad affrontare alcuni dei problemi con i test meccanici su larga scala, principalmente la loro natura distruttiva, i test di microdurezza sono stati adottati dalla mineralogia. La durezza è una misura della resistenza di un materiale alla deformazione plastica in condizioni specifiche. In generale, i test di microdurezza utilizzano una sonda rigida, solitamente realizzata in acciaio temprato o diamantato, per rientrare in un materiale. La profondità di indentazione e/o l’area risultanti possono quindi essere utilizzate per determinare la durezza. Sono stati sviluppati diversi metodi, tra cui Vickers⁴, Knoop⁵ e Brinell⁶ durezza; Ognuno fornisce una misura della durezza del materiale su microscala, ma in condizioni e definizioni diverse, e come tale produce solo dati che possono essere confrontati con test eseguiti nelle stesse condizioni.

La nanoindentazione strumentata è stata sviluppata per migliorare i valori relativi ottenuti tramite i vari metodi di test di microdurezza, migliorare la risoluzione spaziale possibile per l’analisi delle proprietà meccaniche e consentire l’analisi di film sottili. È importante sottolineare che, utilizzando il metodo sviluppato per la prima volta da Oliver e Pharr⁷, l’elastico o modulo di Young, E, di un materiale campione può essere determinato tramite nanoindentazione strumentata. Inoltre, utilizzando una sonda nanoindentatrice piramidale a tre lati Berkovich (la cui funzione di area ideale della punta corrisponde a quella della sonda piramidale a quattro lati Vickers)⁸, è possibile effettuare un confronto diretto tra le misurazioni della durezza su scala nanometrica e su microscala più tradizionali. Con la crescita della popolarità dell’AFM, anche la nanoindentazione basata su sbalzo AFM ha iniziato a ricevere attenzione, in particolare per misurare le proprietà meccaniche dei materiali più morbidi. Di conseguenza, come illustrato schematicamente nella Figura 1, le due tecniche più comunemente impiegate oggi per interrogare e quantificare le proprietà meccaniche su scala nanometrica sono la nanoindentazione strumentata (Figura 1A) e la nanoindentazione basata su sbalzo AFM (Figura 1B)⁹, l’ultima delle quali è il fulcro di questo lavoro.

Figura 1: Confronto tra sistemi di nanoindentazione strumentati e basati su cantilever AFM. Diagrammi schematici che illustrano i sistemi tipici per condurre (A) nanoindentazione strumentata e (B) nanoindentazione a sbalzo AFM. Questa cifra è stata modificata da Qian et ^al.51. Abbreviazione: AFM = microscopia a forza atomica. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Sia la nanoindentazione strumentata che quella basata su sbalzo AFM impiegano una sonda rigida per deformare una superficie campione di interesse e monitorare la forza risultante e lo spostamento in funzione del tempo. Tipicamente, il carico desiderato (cioè forza) o il profilo di spostamento (Z-piezo) viene specificato dall’utente tramite l’interfaccia software e controllato direttamente dallo strumento, mentre viene misurato l’altro parametro. La proprietà meccanica più spesso ottenuta da esperimenti di nanoindentazione è il modulo elastico (E), noto anche come modulo di Young, che ha unità di pressione. Il modulo elastico di un materiale è una proprietà fondamentale relativa alla rigidezza del legame ed è definito come il rapporto tra la tensione di trazione o compressione (σ, la forza applicata per unità di area) e la deformazione assiale (ε, la deformazione proporzionale lungo l’asse di indentazione) durante la deformazione elastica (cioè reversibile o temporanea) prima dell’inizio della deformazione plastica (equazione [1]):

(1)

Va notato che, poiché molti materiali (soprattutto i tessuti biologici) sono in realtà viscoelastici, in realtà il modulo (dinamico o complesso) è costituito sia da componenti elastiche (stoccaggio, in fase) che viscose (perdita, fuori fase). In pratica, ciò che viene misurato in un esperimento di nanoindentazione è il modulo ridotto, E *, che è correlato al vero modulo campione di interesse, E, come mostrato nell’equazione (2):

(2)

Dove punta E e punta ν sono rispettivamente il modulo elastico e il rapporto di Poisson della punta del nanopenetratore, e ν è il rapporto di Poisson stimato del campione. Il rapporto di Poisson è il rapporto negativo tra la deformazione trasversale e quella assiale, e quindi indica il grado di allungamento trasversale di un campione dopo essere sottoposto a deformazione assiale (ad esempio, durante il carico di nanoindentazione), come mostrato nell’equazione (3):

(3)

La conversione dal modulo ridotto a quello effettivo è necessaria perché a) parte della deformazione assiale impartita dalla punta del penetratore può essere convertita in deformazione trasversale (cioè, il campione può deformarsi per espansione o contrazione perpendicolare alla direzione di carico), e b) la punta del penetratore non è infinitamente dura, e quindi l’atto di indentare il campione provoca una certa (piccola) quantità di deformazione della punta. Si noti che nel caso in cui la punta E >> E (cioè la _punta del penetratore è molto più dura del campione, il che è spesso vero quando si utilizza una sonda diamantata), la relazione tra il modulo del campione ridotto e quello effettivo si semplifica notevolmente in E ≈ E*(1 – v²). Mentre la nanoindentazione strumentata è superiore in termini di accurata caratterizzazione della forza e gamma dinamica, la nanoindentazione basata su sbalzo AFM è più veloce, fornisce ordini di grandezza maggiore forza e sensibilità allo spostamento, consente immagini a risoluzione più elevata e una migliore localizzazione dell’indentazione e può simultaneamente sondare proprietà magnetiche ed elettriche su scala nanometrica⁹. In particolare, la nanoindentazione basata su sbalzo AFM è superiore per la quantificazione delle proprietà meccaniche su scala nanometrica di materiali morbidi (ad esempio, polimeri, gel, doppi strati lipidici e cellule o altri materiali biologici), film estremamente sottili (sub-μm) (dove gli effetti del substrato possono entrare in gioco a seconda della profondità di indentazione)^10,11 e materiali bidimensionali sospesi (2D)^12,13,14 come il grafene ^15,16, mica 17, nitruro di boro esagonale (h-BN)¹⁸ o dichalcogenuri dei metalli di transizione (TMDC; ad esempio, MoS₂)¹⁹. Ciò è dovuto alla sua squisita sensibilità alla forza (sub-nN) e allo spostamento (sub-nm), che è importante per determinare con precisione il punto di contatto iniziale e rimanere all’interno della regione di deformazione elastica.

Nella nanoindentazione a sbalzo AFM, lo spostamento di una sonda AFM verso la superficie del campione viene azionato da un elemento piezoelettrico calibrato (Figura 1B), con il cantilever flessibile che alla fine si piega a causa della forza resistiva sperimentata al contatto con la superficie del campione. Questa flessione o deflessione del cantilever viene tipicamente monitorata riflettendo un laser sul retro del cantilever e in un fotorivelatore (rilevatore sensibile alla posizione [PSD]). Insieme alla conoscenza della rigidità a sbalzo (in nN/nm) e della sensibilità alla deflessione (in nm/V), è possibile convertire questa deflessione a sbalzo misurata (in V) nella forza (in nN) applicata al campione. Dopo il contatto, la differenza tra il movimento Z-piezo e la deflessione a sbalzo produce la profondità di indentazione del campione. In combinazione con la conoscenza della funzione dell’area della punta, ciò consente di calcolare l’area di contatto punta-campione. La pendenza delle porzioni di contatto delle curve forza-distanza o forza-spostamento (F-D) risultanti può quindi essere adattata utilizzando un modello di meccanica di contatto appropriato (vedere la sezione Analisi dei dati della discussione) per determinare le proprietà nanomeccaniche del campione. Mentre la nanoindentazione basata su sbalzo AFM possiede alcuni vantaggi distinti rispetto alla nanoindentazione strumentata come descritto sopra, presenta anche diverse sfide pratiche di implementazione, come la calibrazione, l’usura della punta e l’analisi dei dati, che saranno discusse qui. Un altro potenziale svantaggio della nanoindentazione basata su AFM a sbalzo è l’ipotesi di elasticità lineare, poiché il raggio di contatto e le profondità di indentazione devono essere molto più piccoli del raggio del penetratore, che può essere difficile da ottenere quando si lavora con sonde AFM su scala nanometrica e / o campioni che mostrano rugosità superficiale significativa.

Tradizionalmente, la nanoindentazione è stata limitata a singole posizioni o piccoli esperimenti di indentazione della griglia, in cui viene selezionata una posizione desiderata (ad esempio, la regione di interesse [ROI]) e viene eseguito un singolo rientro controllato, più rientri in una singola posizione separati da un certo tempo di attesa e / o una griglia grossolana di rientri vengono eseguiti a una frequenza dell’ordine di Hz. Tuttavia, i recenti progressi nell’AFM consentono l’acquisizione simultanea di proprietà meccaniche e topografia attraverso l’utilizzo di modalità di imaging basate su curve di forza ad alta velocità (indicate da vari nomi commerciali a seconda del produttore del sistema), in cui le curve di forza sono condotte a una velocità di kHz sotto controllo del carico, con la massima forza del campione di punta utilizzata come setpoint di imaging. Sono stati inoltre sviluppati metodi point-and-shoot, che consentono l’acquisizione di un’immagine topografica AFM seguita da una successiva nanoindentazione selettiva nei punti di interesse all’interno dell’immagine, offrendo un controllo spaziale su scala nanometrica sulla posizione della nanoindentazione. Sebbene non sia l’obiettivo principale di questo lavoro, esempi specifici di applicazione selezionati sia di imaging basato sulla curva di forza che di nanoindentazione basata su cantilever point-and-shoot sono presentati nei risultati rappresentativi e possono essere utilizzati in combinazione con il protocollo descritto di seguito, se disponibile sulla particolare piattaforma AFM utilizzata. In particolare, questo lavoro delinea un protocollo generalizzato per l’implementazione pratica della nanoindentazione a sbalzo AFM su qualsiasi sistema AFM capace e fornisce quattro esempi di casi d’uso (due in aria, due in fluido) della tecnica, inclusi risultati rappresentativi e una discussione approfondita delle sfumature, delle sfide e delle considerazioni importanti per impiegare con successo la tecnica.

Protocol

NOTA: A causa dell’ampia varietà di AFM disponibili in commercio e della diversità dei tipi di campioni e delle applicazioni esistenti per la nanoindentazione basata su cantilever, il protocollo che segue è intenzionalmente progettato per essere di natura relativamente generale, concentrandosi sui passaggi condivisi necessari per tutti gli esperimenti di nanoindentazione basati su cantilever, indipendentemente dallo strumento o dal produttore. Per questo motivo, gli autori presumono che il lettore possieda almeno una …

Representative Results

Curve forza-spostamentoLa Figura 7 mostra curve F-D rappresentative e quasi ideali ottenute da esperimenti di nanoindentazione eseguiti in aria su campioni di pino loblolly incorporati in resina (Figura 7A) e in fluido (soluzione salina tamponata con fosfato [PBS]) su nuclei di cellule staminali mesenchimali (MSC) (Figura 7B). L’uso di qualsiasi modello di meccanica di contatto si basa sulla determinazione accur…

Discussion

Preparazione del campione
Per la nanoindentazione in aria, i metodi di preparazione comuni includono la criosezione (ad esempio, campioni di tessuto), la macinazione e / o la lucidatura seguita da ultramicrotoming (ad esempio, campioni biologici incorporati in resina), la fresatura ionica o la preparazione di fasci ionici focalizzati (ad esempio, campioni di durezza semiconduttori, porosi o misti non suscettibili di lucidatura), lucidatura meccanica o elettrochimica (ad esempio, leghe metalliche) o de…

Materials

Atomic force microscope	Bruker	Dimension Icon	Uses Nanoscope control software, including PeakForce Quantitative Nanomechanical Mapping (PF-QNM), FastForce Volume (FFV), and Point-and-Shoot Ramping experimental workspaces
AtomicJ	American Institute of Physics	https://doi.org/10.1063/1.4881683	Flexible, powerful, free open source Java-based force curve analysis software package. Supports numerous contact mechanic models, such as Hertz, Sneddon DMT, JKR, Maugis, and cone or pyramid (including blunt and truncated). Also includes a variety of initial contact point estimation methods to choose from. Supports batch processing of data and subsequent statistical analysis (e.g., averages, standard deviations, histograms, goodness of fit, etc.). Literature citation is: P. Hermanowicz, M. Sarna, K. Burda, and H. Gabry, “AtomicJ: An open source software for analysis of force curves” Rev. Sci. Instrum. 85: 063703 (2014), https://doi.org/10.1063/1.4881683
Buffer solution (PBS)	Fisher Chemical (NaCl), Sigma Aldrich (KCl), Fisher BioReagents (Na2HPO4 and KH2PO4)	S271 (>99% purity NaCl), P9541 (>99% purity KCl), BP332(>99% purity Na2HPO4), BP362 (>99% purity KH2PO4)	Phosphate buffered saline (PBS) was prepared in the laboratory as an aqueous solution consisting of 137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4, and 1.8 mM KH2PO4 dissolved in ultrapure water. Reagents were measured out using an analytical balance, and glassware was cleaned with soap and water followed by autoclaving immediately prior to use.
Chloroform
Diamond tip AFM probe	Bruker	PDNISP	Pre-mounted factory-calibrated cube corner diamond (E = 1140 GPa) tip AFM probe (nominal R = 40 nm) with a stainless steel cantilever (nominal k = 225 N/m, f0 = 50 kHz). Spring constant is measured at the factory (k = 256 N/m for the probe, Serial #13435414, used here) and calibration data (including AFM images of indents showing probe geometry) is provided with the probe.
Diamond ultramicrotome blade	Diatome	Ultra 35°	2.1 mm width. Also used a standard glass blade for intial rough cut of sample surface before transitioning to diamond blade for final surface preparation
Epoxy	Gorilla Glue	26853-31-6	Epoxy resin and hardner were mixed in a 1:1 ratio, a small drop was placed on a stainless steel sample puck (Ted Pella), and V1 grade muscovite mica (Ted Pella) was attached to create an atomically flat surface for preparation of phospholipid membranes.
Ethanol
LR white resin, medium grade (catalyzed)	Electron Microscopy Sciences	14381	500 mL bottle, Lot #150629
Mesenchymal stem cells (MSCs)	N/A	N/A	MSCs for nanomechanical studies were primary cells harvested from 8-10 week old male C57BL/6 mice as described in Goelzer, M. et al. "Lamin A/C Is Dispensable to Mechanical Repression of Adipogenesis" Int J Mol Sci 22: 6580 (2021) doi:10.3390/ijms22126580 and Peister, A. et al. "Adult stem cells from bone marrow (MSCs) isolated from different strains of inbred mice vary in surface epitopes, rates of proliferation, and differentiation potential" Blood 103: 1662-1668 (2004), doi:10.1182/blood-2003-09-3070.
Modulus standards	Bruker	PFQNM-SMPKIT-12M	Used HOPG (E = 18 GPa) and PS (E = 2.7 GPa). Also contains 2x PDMS (Tack 0, E = 2.5 MPa; Tack 4, E = 3.5 MPa), PS-LDPE (E = 2.0/0.2 GPa), fused silica (E = 72.9 GPa), sapphire (E – 345 GPa), and tip characterization (titanium roughness) sample. All samples come pre-mounted on a 12 mm diameter steel disc (sample puck).
Muscovite mica	Ted Pella	50-12	12 mm diameter, V1 grade muscovite mica
Nanscope Analysis	Bruker	Version 2.0	Free AFM image processing and analysis software package, but designed for, and proprietary/limited to Bruker AFMs; similar functionality is available from free, platform-independent AFM image processing and analysis software packages such as Gwyddion, WSxM, and others. Has built-in capabilities for force curve analysis, but AtomicJ is more flexible/full featured (e.g., more built-in contact mechanics models to choose from, statistical analysis of force curve fitting results, etc.) for force curve analysis and handles batch processing of force curves.
Phospholipids: POPC, Cholesterol (ovine)	Avanti Polar Lipids	POPC: CAS # 26853-31-6, Cholesterol: CAS # 57-88-5	POPC lipid dissolved in chloroform (25 mg/mL) was obtained from vendor and used without further purification. Cholesterol powder from the same vendor was dissolved in chloroform (20 mg/mL).
Probe holder (fluid, lipid bilayers)	Bruker	MTFML-V2	Specific to the particular AFM used; MTFML-V2 is a glass probe holder for scanning in fluid on a MultiMode AFM.
Probe holder (fluid, MSCs)	Bruker	FastScan Bio Z-scanner	Used with Dimension FastScan head (XY flexure scanners). Serial number MXYPOM5-1B154.
Probe holder (standard, ambient)	Bruker	DAFMCH	Specific to the particular AFM used; DAFMCH is the standard contact and tapping mode probe holder for the Dimension Icon AFM, suitable for nanoindentation (PF-QNM, FFV, and point-and-shoot ramping)
Sample Puck	Ted Pella	16218	Product number is for 15 mm diameter stainless steel sample puck. Also available in 6 mm, 10 mm, 12 mm, and 20 mm diameters at https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459
Sapphire substrate	Bruker	PFQNM-SMPKIT-12M	Extremely hard surface (E = 345 GPa) for measuring deflection sensitivity of probes (want all of the deflection to come from the probe, not the substrate). Part of the PF-QNM/modulus standards kit.
Scanning electron microscope	Hitachi	S-3400N-II	Located at Boise State. Used to perform co-localized SEM/EDS on all samples except additively manufactured (AM) Ti-6Al-4V.
Silicon AFM probes (standard)	NuNano	Scout 350	Standard tapping mode silicon probe with reflective aluminum backside coating; k = 42 N/m (nominal), f0 = 350 kHz. Nominal R = 5 nm. Also available uncoated or with reflective gold backside coating. Probes with similar specifications are available from other manufacturers (e.g., Bruker TESPA-V2).
Silicon AFM probes (stiff)	Bruker	RTESPA-525, RTESPA-525-30	Rotated tip etched silicon probes with reflective aluminum backside coating; k = 200 N/m (nominal), f0 = 525 kHz. Nominal R = 8 nm for RTESPA-525, R = 30 nm for RTESPA-525-30. Spring constant of each RTESPA-525-30 is measured individually at the factory via laser Doppler vibrometry and supplied with the probe.
Silicon carbide grit paper (abrasive discs)	Allied	50-10005	120 grit
Silicon nitride AFM probes (soft, large radius hemispherical tip)	Bruker	MLCT-SPH-5UM, MLCT-SPH-5UM-DC	Also MLCT-SPH-1UM-DC. New product line of factory-calibrated (probe radius and spring constants of all cantilevers) large radius (R = 1 or 5 mm) hemispherical tip (at the end of a 23 mm long cylindrical shaft) probes. DC = drift compensation coating. 6 cantilevers/probe (A-F). Nominal spring constants: 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.
Silicon nitride AFM probes (soft, medium sharp tip)	Bruker	DNP	4 cantilevers/probe (A-d). Nominal spring constants: A, k = 0.35 N/m; B, k = 0.12 N/m; C, k = 0.24 N/m; D, k = 0.06 N/m. Nominal radii of curvature, R = 10 nm.
Silicon nitride AFM probes (soft, sharp tip)	Bruker	ScanAsyst-Air	Nominal values: resonance frequency, f0 = 70 kHz; spring constant, k = 0.4 N/m; radius of curvature, R = 2 nm. Designed for force curve based AFM imaging.
Superglue	Henkel	Loctite 495	Cyanoacrylate based instant adhesive. Lots of roughly equivalent products are readily available.
Syringe pump	New Era Pump Systems	NE1000US	One channel syringe pump system with infusion and withdrawal capacity
Tip characterization standard	Bruker	PFQNM-SMPKIT-12M	Titanium (Ti) roughness standard. Part of the PF-QNM/modulus standards kit.
Ultrahigh purity nitrogen (UHP N2), 99.999%	Norco	SPG TUHPNI – T	T size compressed gas cylinder of ultrahigh purity (99.999%) nitrogen for drying samples
Ultramicrotome	Leica	EM UC6	Equipped with a glass blade (standard, for intial sample preparation) and a diamond blade (for final preparation)
Ultrapure water	Thermo Fisher	Barnstead Nanopure Model 7146	Model has been discontinued, but equivalent products are available. Produces ≥18.2 MΩ*cm ultrapure water with 1-5 ppb TOC (total organic content), per inline UV monitoring. Includes 0.2 µm particulate filter, ion exchange columns, and UV oxidation chamber.
Variable Speed Grinder	Buehler	EcoMet 3000	Used with silicon carbide grit papers during hand polishing.
Vibration isolation table (active)	Herzan	TS-140	Used with Bruker MultiMode AFM. Sits on a TMC 65-531 vibration isolation table. Bruker Dimension Icon AFM utilizes strictly passive vibration isolation (comes from manufacturer with custom acoustic hood, air table, and granite slab).
Vibration isolation table (passive)	TMC	65-531	35" x 30" vibration isolation table with optional air damping (disabled). Used with Bruker MultiMode AFM. Herzan TS-140 "Table Stable" active vibration control table is located on top.