Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of North Carolina hebben een nieuw ontwerp voor een instrument gedemonstreerd, een "geïnstrumenteerde indenter op nanoschaal, " dat gevoelige metingen doet van de mechanische eigenschappen van dunne films - variërend van carrosseriecoatings tot micro-elektronische apparaten - en biomaterialen. Het NIST-instrument gebruikt een unieke techniek voor het nauwkeurig meten van de diepte van de inkeping in een testoppervlak zonder contact met het oppervlak anders dan de sondepunt zelf.

Indringers hebben een lange geschiedenis in materiaalonderzoek. Johan August Brinell bedacht een van de eerste versies in 1900. Het concept is om iets hards op het testmateriaal te laten vallen of te rammen en de hardheid van het materiaal te meten aan de diepte van de deuk. Dit is prima voor spoorwegstaal, maar moderne technologie heeft meer uitdagende metingen opgeleverd:de stijfheid van micromechanische sensoren die worden gebruikt in auto-airbags, de hardheid van dunne coatings op gereedschapsbits, de elasticiteit van dunne biologische membranen. Deze vereisen precisiemetingen van diepte in termen van nanometers en kracht in termen van micronewtons.

In plaats van deuken in metaal, zegt Douglas Smith van NIST, "We proberen de meest nauwkeurige meting te krijgen van hoe ver de indentertip doordringt in het oppervlak van het monster, en hoeveel kracht het kostte om het zo ver in te duwen. We registreren dit continu. Het heet 'instrumented indentation testing'."

Een grote uitdaging, Smit zegt, is dat je op nanoschaal precies moet weten waar het oppervlak van het testexemplaar zich bevindt ten opzichte van de punt van de indenter. Sommige commerciële instrumenten doen dit door het oppervlak aan te raken met een referentiedeel van het instrument dat zich op een bekende afstand van de punt bevindt, maar dit brengt extra problemen met zich mee. "Bijvoorbeeld, als je naar kruip in polymeer wilt kijken - iets waar ons instrument bijzonder goed in is - kruipt dat referentiepunt zelf in het polymeer net onder zijn eigen contactkracht. Dat is een fout die u niet kent en die u niet kunt corrigeren, " zegt Smit.

De NIST-oplossing is een contactloze oppervlaktedetector die gebruikmaakt van een paar kleine stemvorken van kwarts - het soort dat wordt gebruikt om de tijd bij te houden in de meeste polshorloges. Wanneer de stemvorken dicht bij het testoppervlak komen, de invloed van de nabijgelegen massa verandert hun frequentie - niet veel, maar genoeg. De nano-indenter gebruikt die frequentieverschuiving om de positie van het indringmechanisme op een vaste afstand van het testoppervlak te "vergrendelen", maar zonder enige waarneembare kracht op het oppervlak zelf uit te oefenen.

"De enige significante interactie die we willen is tussen de indenter en het specimen, " zegt Smit, "of ten minste, constant zijn en het oppervlak niet vervormen. Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de commerciële instrumenten."

De NIST nano-indenter kan krachten uitoefenen tot 150 millinewton, duizend keer per seconde metingen uitvoeren, met een onzekerheid kleiner dan 2 micronewton, en tijdens het meten van tippenetratie tot 10 micrometer tot binnen ongeveer 0,4 nanometer. Dit alles wordt gedaan op een manier die op een routinematige manier traceerbaar kan worden gekalibreerd tegen basis SI-eenheden voor kracht en verplaatsing.

Het instrument is zeer geschikt voor zeer nauwkeurige metingen van hardheid, elasticiteit en kruip en vergelijkbare eigenschappen voor een breed scala aan materialen, waaronder vaak moeilijk te meten zachte materialen zoals polymeerfilms, zegt Smit, maar een van de primaire toepassingen zal zijn in de ontwikkeling van referentiematerialen die kunnen worden gebruikt om andere geïnstrumenteerde indringers te kalibreren. "Er zijn nog steeds geen NIST-standaardreferentiematerialen voor deze klasse instrumenten omdat we een instrument wilden hebben dat beter was dan de commerciële instrumenten om dat te doen, ' legt Smit uit.