Кинетика взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с поверхностью неоднородного полимера в режиме быстрой наноиндентации

Аннотация

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является мощным инструментом изучения структурных и физико-механических свойств поверхностей. АСМ-эксперимент заключается в регистрации взаимодействия между зондом и материалом. Зонд представляет собой горизонтально закрепленную с одной стороны упругую консоль (кантилевер); на свободном конце кантилевера расположено острие. Взаимодействие острия с поверхностью вызывает изгиб консоли, который интерпретируется в зависимости от условий эксперимента. Методы высокоскоростной индентации атомно-силовой микроскопии позволяют получать карты трехмерного рельефа и физико-механических свойств материала в высоком разрешении на микро- и наноуровнях. В данном случае в каждой точке поверхности исследуемой области происходят быстрое надавливание зонда на материал и регистрация взаимодействия. Скорость сближения зонда с поверхностью материала задает пользователь. Данная величина полагается постоянной и называется скоростью индентации. Однако это не верно: скорость движения острия на незакрепленном конце балки в общем случае зависит от многих факторов. На примере исследования поверхности полиуретана (неоднородный двухфазный полимер) показано, что скорость взаимодействия зонда с материалом нелинейно зависит от участка поверхности, глубины и направления индентации, номинальной скорости эксперимента, свойств консоли. Это оказывает влияние на измерение топографии рельефа, жесткости, сил Ван дер Ваальса и адгезии между зондом и материалом. Таким образом, для корректной количественной интерпретации результатов необходимо принимать во внимание скорость взаимодействия острия с материалом; данное утверждение особенно актуально при работе с мягкими полимерами. Представленные методы могут быть полезны при исследовании широкого класса мягких неоднородных материалов.