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ナノメカニカル測定のためのAFM

はんだ鉛すず合金の原子間力顕微鏡 (AFM) による弾性率マップ

ナノスケールでの機械特性は、多くのアプリケーションにおいて非常に重要です。原子間力顕微鏡(AFM, atomic force microscopy)は、これらの特性を計測できる限られたツール中の1つです。 アサイラム・リサーチAFM用のNanomechPro™ ツールキットを使用することで、細胞からセラミックまで、あらゆる機械特性をナノスケールで測定することが可能になります。このツールキットに含まれるテクニックにより、弾性・粘性、接着力、硬度など、広範囲にわたるナノメカニカル挙動を正確に評価することができます。NanomechProツールキット内の複数のテクニックは、異なるアプリケーションに対して高い柔軟性を提供し、得られた結果を比較することで、より深い知見を得ることができます。NanomechProツールキットには、Cypher™ ファミリー・MFP-3D™ ファミリーのいずれのAFMにも対応した機能が含まれており、多数の特性を高速で測定できる独自のモードと一緒に使用できます。

Cypher AFM用のレーザー干渉変位計測オプション(IDS, Interferometric Displacement Sensor)を使用すると、ナノメカニカル特性評価モードにおいて、より定量的かつ詳細な計測が可能です。従来の光てこによるたわみ検出法(OBD, optical beam deflection)では、カンチレバー形状が予測された形やモデル型からそれた場合、OBD信号が誤って解釈される可能性があります。 これに対して、IDSはカンチレバーの振幅・たわみの絶対値を提供するため、マルチ周波数テクニック、モード形のマッピング、チップ - サンプル接触機構、およびオンオフ共振接触テクニックの精度を向上させます。下の技術資料のタブをクリックしてIDSオプションのデータシートをダウンロードしていただけます。

AFMに関する技術的なお問い合わせ

フォースカーブ・フォースボリューム
(Force Curves / Force Volume)

  • 標準的に利用される準静的手法で、力 vs. 距離の曲線を使用して弾性率・硬さ・接着性など、サンプルに関する定量的な情報を提供

高速フォースマッピング
(FFM, Fast Force Mapping)

  • 力 vs. 距離のマッピングモード。最大300〜1000 Hzのピクセルレートで動作し、弾性率・接着・可塑性、他の算出可能な特性を提供

AM-FM粘弾性マッピング
(振幅変調‐周波数変調粘弾性マッピング)
(AM-FM, Amplitude Modulation-Frequency Modulation Viscoelastic Mapping)

  • 定量的なバイモーダルタッピングモード。探針‐サンプル間の接触剛性・ロスタンジェントを測定し、ヘルツモデルを使用した弾性率(E′)を算出

コンタクト共振粘弾性マッピング (CR-AFM, Contact Resonance Viscoelastic Mapping)

  • 貯蔵弾性率 (E′) および損失弾性率 (E″) のコンタクトモードイメージング測定

デュアル AC イメージング
(Dual AC imaging)

  • 定性的なバイモーダルタッピングモード。材料の剛性や粘弾性に応じたコントラストを提供

ロスタンジェントイメージング
(Loss Tangent imaging)

  • 貯蔵エネルギーに対する損失エネルギーの比として位相データを定量化するタッピングモーイメージング。別名 tan δ

フォースモジュレーションイメージング
(Force Modulation Imaging)

  • 定性的なコンタクトモードテクニック。サンプル変形の差異を測定し、散逸を提供

フォースカーブ・フォースボリューム
(Force Curves / Force Volume)

  • 未処理 vs. 処理済みの生体組織の弾性の比較
  • 細胞の二次元フォースボリューム弾性率マッピングを提供
  • ハイドロゲルの機械特性の評価

FFM

  • Hertz, JKR, DMT, Oliver-Pharr モデルを使用した、定量的なフォースカーブ解析
  • サンプルの形状像(トポグラフィ、トポ像)を追従しながら、ポリマーサンプルの弾性率を比較

CR-AFM

  • 高剛性材料 (high stiffness material) の局所的な機械特性の評価
  • スチールブレード、カーバイド、ダイヤモンド類似材料 (diamond-like material) の弾性率の比較
  • 木材や骨などの材料の、定量的な弾性率の提供

AM-FM

  • 高速かつサンプル表面に優しい、高分解能なナノメカニカル情報を提供
  • 細胞からポリマー、合金、セラミックスに至る、幅広い材料の粘弾性特性
  • アミロイド繊維、誘電体、およびパターン化表面の散逸と弾性率
  • 多層「サンドイッチ」材料中のポリマー(PS、PE、HDPEなど)の同定

デュアルACイメージング (Dual AC imaging)

  • タイヤ用ゴム混合物のコントラストを提供
  • ナノ複合材料やポリマーブレンドなどの材料組成や成分を可視化

ロスタンジェントイメージング
(Loss Tangent imaging)

  • 市販の包装材料のバリア層を識別
  • ポリマー、複合材料、合金などの、さまざまな粘弾性材料のコントラストを表示

下のリストより技術資料(英文)のダウンロードをご利用いただけます。
日本語版をご希望の場合にはこちらからご連絡ください。

"Probing the swelling-dependent mechanical and transport properties of polyacrylamide hydrogels through AFM-based dynamic nanoindentation," Y. Lai and Y. Hu, Soft Matter 14, 2619 (2018). https://doi.org/10.1039/c7sm02351k

"Controlling the mechanoelasticity of model biomembranes with room-temperature ionic liquids," C> Rotella, P. Kumari, B. J. Rodriguez, S. P. Jarvis, and A. Benedetto, Biophys. Rev. 10, 751 (2018). https://doi.org/10.1007/s12551-018-0424-5

"Tendon exhibits complex poroelastic behavior at the nanoscale as revealed by high-frequency AFM-based rheology," B. K. Connizzo and A. J. Grodzinsky, J. Biomech. 54, 11 (2017). https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2017.01.029

"Polymer nanomechanics: Separating the size effect from the substrate effect in nanoindentation," L. Li, L. M. Encarnacao, and K. A. Brown, Appl. Phys. Lett. 110, 043105 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4975057

"Mechanical properties of highly porous super liquid‐repellent surfaces," M. Paven, R. Fuchs, T. Yakabe, D.,Vollmer, M. Kappl, A. N. Itakura, and H.-J. Butt, Adv. Funct. Mater. 26, 4914 (2016). https://doi.org/10.1002/adfm.201600627

"Practical loss tangent imaging with amplitude-modulated atomic force microscopy," R. Proksch, M. Kocun, D. Hurley, M. Viani, A. Labuda, W. Meinhold, and J. Bemis, J. Appl. Phys. 119, 134901 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4944879

"Fast, quantitative AFM nanomechanical measurements using AM-FM Viscoelastic Mapping mode," D. Hurley, M. Kocun, I. Revenko, B. Ohler, and R. Proksch, Microscopy and Analysis 29, 9 (2015). Download Here

"Contact resonance atomic force microscopy imaging in air and water using photothermal excitation," M. Kocun, A. Labuda, A. Gannepalli, and R. Proksch, Rev. Sci. Instrum. 86, 083706 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4928105

"Predictive modelling-based design and experiments for synthesis and spinning of bioinspired silk fibres," S. Lin, S. Ryu, O. Tokareva, G. Gronau, M. M. Jacobsen, W. Huang, D. J. Rizzo, D. Li, C. Staii, N. M. Pugno, J. Y. Wong, D. L. Kaplan, and M. J. Buehler, Nat. Comm. 6, 6892 (2015). http://doi.org/10.1038/ncomms7892

"Nano-rheology of hydrogels using direct drive force modulation atomic force microscopy," P. C. Nalam, N. N. Gosvami, M. A. Caporizzo, R. J. Composto, and R. W. Carpick, Soft Matter 11, 8165 (2015). https://doi.org/10.1039/c5sm01143d

"Fast nanomechanical spectroscopy of soft matter," E. T. Herruzo, A. P. Perrino, and R. Garcia, Nat. Commun. 5, 3126 (2014). https://doi.org/10.1038/ncomms4126

"High intrinsic mechanical flexibility of mouse prion nanofibrils revealed by measurements of axial and radial Young's moduli," G. Lamour, C. K. Yip, H. Li, and J. Gsponer, ACS Nano 8, 3851 (2014). https://doi.org/10.1021/nn5007013

"Quantifying cell-to-cell variation in power-law rheology," P. Cai, Y. Mizutani, M. Tsuchiya, J. M. Maloney, B. Fabry, K. J. V. Vliet, and T. Okajima, Biophys. J. 105, 1093 (2013). https://doi.org/10.1016/j.bpj.2013.07.035

"Nanomechanical mapping of soft matter by bimodal force microscopy," R. Garcia and R. Proksch, Eur. Polym. J. 49, 1897 (2013). https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2013.03.037

"Loss tangent imaging: Theory and simulations of repulsive-mode tapping atomic force microscopy," R. Proksch and D. G. Yablon, Appl. Phys. Lett. 100, 073106 (2012). https://doi.org/10.1063/1.3675836

"Mapping nanoscale elasticity and dissipation using dual frequency contact resonance AFM," A. Gannepalli, D. G. Yablon, A. H. Tsou, and R. Proksch, Nanotechnology 22, 355705 (2011). https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/35/355705

"Mapping nanomechanical properties of live cells using multi-harmonic atomic force microscopy," A. Raman, S. Trigueros, A. Cartagena, A. P. Z. Stevenson, M. Susilo, E. Nauman, and S. A. Contera, Nat. Nanotechnol. 6, 809 (2011). https://doi.org/10.1038/nnano.2011.186

"Viscoelastic property mapping with contact resonance force microscopy," J. P. Killgore, D. G. Yablon, A. Tsou, A. Gannepalli, P. Yuya, J. Turner, R. Proksch, and D. C. Hurley, Langmuir 27, 13983 (2011). https://doi.org/10.1021/la203434w

"Mechanical properties of face-centered cubic supercrystals of nanocrystals," E. Tam, P. Podsiadlo, E. Shevchenko, D. F. Ogletree, M.-P. Delplancke-Ogletree, and P. D. Ashby, Nano Lett. 10, 2363 (2010). https://doi.org/10.1021/nl1001313

"Tuning the elastic modulus of hydrated collagen fibrils," C. A. Grant, D. J. Brockwell, S. E. Radford, and N. H. Thomson, Biophys. J. 97, 2985 (2009). https://doi.org/10.1016/j.bpj.2009.09.010

"Vascular smooth muscle cell durotaxis depends on substrate stiffness gradient strength," B. C. Isenberg, P. A. DiMilla, M. Walker, S. Kim, and J. Y. Wong, Biophys. J. 97, 1313 (2009). https://doi.org/10.1016/j.bpj.2009.06.021

"Surface viscoelasticity of individual gram-negative bacterial cells measured using atomic force microscopy," V. Vadillo-Rodriguez, T. J. Beveridge, and J. R. Dutcher, J. Bacteriol. 190, 4225-4232 (2008). https://doi.org/10.1128/jb.00132-08

"A thin-layer model for viscoelastic, stress-relaxation testing of cells using atomic force microscopy: Do cell properties reflect metastatic potential?" E. M. Darling, S. Zauscher, J. A. Block, and F. Guilak, Biophys. J. 92, 1784 (2007). https://doi.org/10.1529/biophysj.106.083097

"Packing density and structural heterogeneity of insulin amyloid fibrils measured by AFM nanoindentation," S. Guo, and B. B. Akhremitchev, Biomacromolecules 7, 1630 (2006). https://doi.org/10.1021/bm0600724

"Multifrequency, repulsive-mode amplitude-modulated atomic force microscopy," R. Proksch, Appl. Phys. Lett. 89, 113121 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2345593