Крупный план сферы Pyrex и плоскости Pyrex, на которой нанесена нанометровая эластичная пленка. Видны небольшие капли жидкости, которые служат в качестве зонда. (Источник: Richard Villey and Frédéric Restagno)
Бесконтактная техника для измерения мягкости
Две группы ученых во Франции измерили твердость материала, не касаясь его. Метод включает в себя небольшое количество жидкости, протекающей по поверхности материала и являющейся неинвазивной (непроникающей) и неразрушающей. Таким образом, технология может быть использована вплоть до нанометрового масштаба, при анализе упругих свойств тонких пленок или хрупких предметов, таких как пузырьки или живые клетки.
Самый простой способ измерения твердости тела, нанести легкий удар по нему другим телом, которое тверже, чем первое. Проблема этого метода в том, что твердый «зонд» может разрушить измеряемый объект, особенно если он очень хрупкий, как живая клетка. В результате, исследователи стремятся разработать менее разрушительный способ. Эта последняя работа была сделана двумя исследовательскими группами: в одной, в том числе Сэмюэль Лерой (Samuel Leroy) и его коллеги из Лаборатории физики конденсированных материалов и наноструктур (Laboratoire de Physique de la Matiére Condensée et des Nanostructures) в Лионе, а в другой, в том числе Фредерик Рестагно (Frédéric Restagno) и его коллеги из Лаборатории физики твердого тела (Laboratoire de Physique des Solides) в Париже. Физики первоначально намеревались измерять мягкость, обдувая объект потоком воздуха и измеряя деформации. Однако, они забросили эту идею, потому что столкнулись с трудностями в управлении потоком воздуха из-за образующихся вихрей.
Нанотечения
С этой неудачи пришла идея использовать крошечные «нанопотоки» жидкости, которой, как выяснили исследователи, легче управлять, чем воздухом. Для того чтобы сделать измерения, исследователи создают очень слабый и очень тонкий поток жидкости между зондом и исследуемым объектом - в одном варианте это была тонкая эластомерная (резиновая) пленка всего несколько сотен нанометров толщиной - пленка находится на жесткой подложке из стекла и погружена в смесь воды и глицерина. Крошечный поток создается специальным методом, разработанным в 2000 году Сэмюэлем Лерой. Зонд миллиметрового размера - стеклянная сфера Pyrex крепится к стержню, который может вибрировать с большой точностью. Это тонкое движение производится с помощью «пьезокерамической» системы, способной контролировать перемещение сферы на малых расстояниях, вплоть до 0,01 нм. Именно этот крошечный стеклянный шарик, по мнению исследователей, и создает нанопоток.
Искажение пленок
Когда сфера находится очень близко к исследуемому материалу, по словам ученых, на расстоянии около 1 мкм - она выталкивает жидкость и вызывает очень мягкое давление на поверхность материала. Если материал является гибким, он деформируется под давлением. Если же он совершенно твердый, то деформации не происходит. Любая деформация влияет на движение шара, на то, как он вибрирует, и это влияние может быть использовано для расчета эластичности пленки.
Исследователи также использовали установку для измерения твердости множества пузырьков - нечто настолько хрупкого, что разрушается при прикосновении. Благодаря сочетанию нового метода с отработанными методами (например, метод «colloidal-probe atomic force microscopy»), ученые надеются измерить мягкость широкого спектра материалов.