Nature.com ని సందర్శించినందుకు ధన్యవాదాలు. మీరు పరిమిత CSS మద్దతు ఉన్న బ్రౌజర్ వెర్షన్‌ను ఉపయోగిస్తున్నారు. ఉత్తమ అనుభవం కోసం, మీరు నవీకరించబడిన బ్రౌజర్‌ను ఉపయోగించాలని మేము సిఫార్సు చేస్తున్నాము (లేదా ఇంటర్నెట్ ఎక్స్‌ప్లోరర్‌లో అనుకూలత మోడ్‌ను నిలిపివేయండి). అదనంగా, కొనసాగుతున్న మద్దతును నిర్ధారించడానికి, మేము శైలులు మరియు జావాస్క్రిప్ట్ లేకుండా సైట్‌ను చూపుతాము.
ఒకేసారి మూడు స్లయిడ్‌ల కారౌసెల్‌ను ప్రదర్శిస్తుంది. ఒకేసారి మూడు స్లయిడ్‌ల ద్వారా కదలడానికి మునుపటి మరియు తదుపరి బటన్‌లను ఉపయోగించండి లేదా ఒకేసారి మూడు స్లయిడ్‌ల ద్వారా కదలడానికి చివర ఉన్న స్లయిడర్ బటన్‌లను ఉపయోగించండి.
వైద్య పరికరాలు మరియు బయోమెడికల్ అప్లికేషన్ల కోసం కొత్త అల్ట్రా-సాఫ్ట్ పదార్థాల అభివృద్ధితో, వాటి భౌతిక మరియు యాంత్రిక లక్షణాల సమగ్ర లక్షణం ముఖ్యమైనది మరియు సవాలుతో కూడుకున్నది. బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ నిర్మాణాల పొరతో పూత పూసిన కొత్త లెహ్ఫిల్కాన్ A బయోమిమెటిక్ సిలికాన్ హైడ్రోజెల్ కాంటాక్ట్ లెన్స్ యొక్క అత్యంత తక్కువ ఉపరితల మాడ్యులస్‌ను వర్గీకరించడానికి సవరించిన అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ (AFM) నానోఇండెంటేషన్ టెక్నిక్ వర్తించబడింది. బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్‌లను సమీపించేటప్పుడు జిగట వెలికితీత ప్రభావాలు లేకుండా కాంటాక్ట్ పాయింట్ల యొక్క ఖచ్చితమైన నిర్ణయాన్ని ఈ పద్ధతి అనుమతిస్తుంది. అదనంగా, పోరోఎలాస్టిసిటీ ప్రభావం లేకుండా వ్యక్తిగత బ్రష్ మూలకాల యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలను నిర్ణయించడం సాధ్యం చేస్తుంది. మృదువైన పదార్థాలు మరియు జీవ నమూనాల లక్షణాలను కొలవడానికి ప్రత్యేకంగా సరిపోయే డిజైన్ (టిప్ సైజు, జ్యామితి మరియు స్ప్రింగ్ రేటు) కలిగిన AFM ప్రోబ్‌ను ఎంచుకోవడం ద్వారా ఇది సాధించబడుతుంది. ఈ పద్ధతి చాలా మృదువైన పదార్థం లెహ్ఫిల్కాన్ A యొక్క ఖచ్చితమైన కొలత కోసం సున్నితత్వం మరియు ఖచ్చితత్వాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది, ఇది ఉపరితల వైశాల్యంలో (2 kPa వరకు) చాలా తక్కువ స్థితిస్థాపకత మాడ్యులస్ మరియు అంతర్గత (దాదాపు 100%) జల వాతావరణంలో చాలా ఎక్కువ స్థితిస్థాపకతను కలిగి ఉంటుంది. ఉపరితల అధ్యయనం యొక్క ఫలితాలు లెహ్ఫిల్కాన్ A లెన్స్ యొక్క అల్ట్రా-సాఫ్ట్ ఉపరితల లక్షణాలను వెల్లడించడమే కాకుండా, బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్‌ల మాడ్యులస్ సిలికాన్-హైడ్రోజన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌తో పోల్చదగినదని కూడా చూపించాయి. ఈ ఉపరితల క్యారెక్టరైజేషన్ టెక్నిక్‌ను ఇతర అల్ట్రా-సాఫ్ట్ మెటీరియల్స్ మరియు వైద్య పరికరాలకు అన్వయించవచ్చు.
జీవ కణజాలంతో ప్రత్యక్ష సంబంధం కోసం రూపొందించబడిన పదార్థాల యాంత్రిక లక్షణాలు తరచుగా జీవ వాతావరణం ద్వారా నిర్ణయించబడతాయి. ఈ పదార్థ లక్షణాల యొక్క ఖచ్చితమైన సరిపోలిక ప్రతికూల సెల్యులార్ ప్రతిస్పందనలను కలిగించకుండా పదార్థం యొక్క కావలసిన క్లినికల్ లక్షణాలను సాధించడంలో సహాయపడుతుంది1,2,3. బల్క్ సజాతీయ పదార్థాలకు, ప్రామాణిక విధానాలు మరియు పరీక్షా పద్ధతుల లభ్యత కారణంగా యాంత్రిక లక్షణాల లక్షణం సాపేక్షంగా సులభం (ఉదా., మైక్రోఇండెంటేషన్4,5,6). అయితే, జెల్లు, హైడ్రోజెల్లు, బయోపాలిమర్లు, జీవ కణాలు మొదలైన అల్ట్రా-సాఫ్ట్ పదార్థాలకు, కొలత రిజల్యూషన్ పరిమితులు మరియు కొన్ని పదార్థాల అసమతుల్యత కారణంగా ఈ పరీక్షా పద్ధతులు సాధారణంగా వర్తించవు7. సంవత్సరాలుగా, సాంప్రదాయ ఇండెంటేషన్ పద్ధతులు విస్తృత శ్రేణి మృదువైన పదార్థాలను వర్గీకరించడానికి సవరించబడ్డాయి మరియు స్వీకరించబడ్డాయి, కానీ అనేక పద్ధతులు ఇప్పటికీ వాటి వినియోగాన్ని పరిమితం చేసే తీవ్రమైన లోపాలతో బాధపడుతున్నాయి8,9,10,11,12,13. సూపర్‌సాఫ్ట్ పదార్థాలు మరియు ఉపరితల పొరల యాంత్రిక లక్షణాలను ఖచ్చితంగా మరియు విశ్వసనీయంగా వర్గీకరించగల ప్రత్యేక పరీక్షా పద్ధతుల లేకపోవడం వివిధ అనువర్తనాల్లో వాటి వినియోగాన్ని తీవ్రంగా పరిమితం చేస్తుంది.
మా మునుపటి పనిలో, మేము లెహ్‌ఫిల్కాన్ A (CL) కాంటాక్ట్ లెన్స్‌ను పరిచయం చేసాము, ఇది కంటి కార్నియా ఉపరితలం నుండి ప్రేరణ పొందిన బయోమిమెటిక్ డిజైన్ల నుండి తీసుకోబడిన అన్ని అల్ట్రా-సాఫ్ట్ ఉపరితల లక్షణాలతో కూడిన మృదువైన వైవిధ్య పదార్థం. ఈ బయోమెటీరియల్‌ను పాలీ(2-మెథాక్రిలోలోక్సీథైల్ఫాస్ఫోరిల్‌కోలిన్ (MPC)) (PMPC) యొక్క శాఖలుగా ఉన్న, క్రాస్-లింక్డ్ పాలిమర్ పొరను వైద్య పరికరాల కోసం రూపొందించిన సిలికాన్ హైడ్రోజెల్ (SiHy) 15 పై అంటుకట్టడం ద్వారా అభివృద్ధి చేశారు. ఈ అంటుకట్టుట ప్రక్రియ ఉపరితలంపై చాలా మృదువైన మరియు అత్యంత సాగే బ్రాంచ్డ్ పాలిమెరిక్ బ్రష్ నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉన్న పొరను సృష్టిస్తుంది. లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL యొక్క బయోమిమెటిక్ నిర్మాణం మెరుగైన చెమ్మగిల్లడం మరియు ఫౌలింగ్ నివారణ, పెరిగిన లూబ్రిసిటీ మరియు తగ్గిన సెల్ మరియు బాక్టీరియల్ సంశ్లేషణ వంటి ఉన్నతమైన ఉపరితల లక్షణాలను అందిస్తుందని మా మునుపటి పని నిర్ధారించింది. అదనంగా, ఈ బయోమిమెటిక్ పదార్థం యొక్క ఉపయోగం మరియు అభివృద్ధి ఇతర బయోమెడికల్ పరికరాలకు మరింత విస్తరణను సూచిస్తుంది. అందువల్ల, ఈ అతి-మృదువైన పదార్థం యొక్క ఉపరితల లక్షణాలను వర్గీకరించడం మరియు భవిష్యత్ పరిణామాలు మరియు అనువర్తనాలకు మద్దతు ఇవ్వడానికి సమగ్ర జ్ఞాన స్థావరాన్ని సృష్టించడానికి కంటితో దాని యాంత్రిక పరస్పర చర్యను అర్థం చేసుకోవడం చాలా కీలకం. వాణిజ్యపరంగా లభించే చాలా SiHy కాంటాక్ట్ లెన్స్‌లు హైడ్రోఫిలిక్ మరియు హైడ్రోఫోబిక్ పాలిమర్‌ల సజాతీయ మిశ్రమంతో కూడి ఉంటాయి, ఇవి ఏకరీతి పదార్థ నిర్మాణాన్ని ఏర్పరుస్తాయి17. సాంప్రదాయ కంప్రెషన్, తన్యత మరియు మైక్రోఇండెంటేషన్ పరీక్షా పద్ధతులను ఉపయోగించి వాటి యాంత్రిక లక్షణాలను పరిశోధించడానికి అనేక అధ్యయనాలు నిర్వహించబడ్డాయి18,19,20,21. అయితే, లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL యొక్క నవల బయోమిమెటిక్ డిజైన్ దీనిని ఒక ప్రత్యేకమైన వైవిధ్య పదార్థంగా చేస్తుంది, దీనిలో బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ నిర్మాణాల యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలు SiHy బేస్ సబ్‌స్ట్రేట్ నుండి గణనీయంగా భిన్నంగా ఉంటాయి. అందువల్ల, సాంప్రదాయ మరియు ఇండెంటేషన్ పద్ధతులను ఉపయోగించి ఈ లక్షణాలను ఖచ్చితంగా లెక్కించడం చాలా కష్టం. ఒక ఆశాజనక పద్ధతి అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ (AFM)లో అమలు చేయబడిన నానోఇండెంటేషన్ పరీక్షా పద్ధతిని ఉపయోగిస్తుంది, ఇది జీవ కణాలు మరియు కణజాలాలు వంటి మృదువైన విస్కోఎలాస్టిక్ పదార్థాల యాంత్రిక లక్షణాలను నిర్ణయించడానికి ఉపయోగించబడింది, అలాగే మృదువైన పాలిమర్‌లు22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. AFM నానోఇండెంటేషన్‌లో, నానోఇండెంటేషన్ పరీక్ష యొక్క ప్రాథమిక అంశాలు AFM సాంకేతికతలోని తాజా పురోగతులతో కలిపి, విస్తృత శ్రేణి అంతర్గతంగా సూపర్‌సాఫ్ట్ పదార్థాల యొక్క కొలత సున్నితత్వాన్ని మరియు పరీక్షను పెంచుతాయి31,32,33,34,35,36. అదనంగా, సాంకేతికత వివిధ జ్యామితిని ఉపయోగించడం ద్వారా ఇతర ముఖ్యమైన ప్రయోజనాలను అందిస్తుంది. ఇండెంట్ మరియు ప్రోబ్ మరియు వివిధ ద్రవ మాధ్యమాలలో పరీక్షించే అవకాశం.
AFM నానోఇండెంటేషన్‌ను షరతులతో మూడు ప్రధాన భాగాలుగా విభజించవచ్చు: (1) పరికరాలు (సెన్సార్లు, డిటెక్టర్లు, ప్రోబ్‌లు మొదలైనవి); (2) కొలత పారామితులు (శక్తి, స్థానభ్రంశం, వేగం, రాంప్ పరిమాణం మొదలైనవి); (3) డేటా ప్రాసెసింగ్ (బేస్‌లైన్ కరెక్షన్, టచ్ పాయింట్ అంచనా, డేటా ఫిట్టింగ్, మోడలింగ్ మొదలైనవి). ఈ పద్ధతిలో ఒక ముఖ్యమైన సమస్య ఏమిటంటే, AFM నానోఇండెంటేషన్‌ని ఉపయోగించి సాహిత్యంలో అనేక అధ్యయనాలు ఒకే నమూనా/సెల్/మెటీరియల్ రకం కోసం చాలా భిన్నమైన పరిమాణాత్మక ఫలితాలను నివేదిస్తాయి37,38,39,40,41. ఉదాహరణకు, లెక్కా మరియు ఇతరులు. యాంత్రికంగా సజాతీయ హైడ్రోజెల్ మరియు వైవిధ్య కణాల నమూనాల కొలిచిన యంగ్ యొక్క మాడ్యులస్‌పై AFM ప్రోబ్ జ్యామితి ప్రభావాన్ని అధ్యయనం చేసి పోల్చారు. మాడ్యులస్ విలువలు కాంటిలివర్ ఎంపిక మరియు చిట్కా ఆకారంపై ఎక్కువగా ఆధారపడి ఉంటాయని వారు నివేదిస్తున్నారు, పిరమిడ్ ఆకారపు ప్రోబ్‌కు అత్యధిక విలువ మరియు గోళాకార ప్రోబ్‌కు అత్యల్ప విలువ 42. అదేవిధంగా, సెల్‌హుబెర్-అంకెల్ మరియు ఇతరులు. ACM43 నానోఇండెంటేషన్ ద్వారా కొలవబడిన యంగ్ మాడ్యులస్‌ను ఇండెంటర్ వేగం, ఇండెంటర్ పరిమాణం మరియు మందం ఎలా ప్రభావితం చేస్తాయో చూపబడింది. మరొక క్లిష్టతరం చేసే అంశం ప్రామాణికమైన చాలా తక్కువ మాడ్యులస్ పరీక్షా పదార్థాలు మరియు ఉచిత పరీక్షా విధానాలు లేకపోవడం. ఇది నమ్మకంగా ఖచ్చితమైన ఫలితాలను పొందడం చాలా కష్టతరం చేస్తుంది. అయితే, సారూప్య నమూనా రకాల మధ్య సాపేక్ష కొలతలు మరియు తులనాత్మక మూల్యాంకనాలకు ఈ పద్ధతి చాలా ఉపయోగకరంగా ఉంటుంది, ఉదాహరణకు క్యాన్సర్ కణాల నుండి సాధారణ కణాలను వేరు చేయడానికి AFM నానోఇండెంటేషన్‌ను ఉపయోగించడం 44, 45.
AFM నానోఇండెంటేషన్‌తో మృదువైన పదార్థాలను పరీక్షించేటప్పుడు, సాధారణ నియమం ఏమిటంటే, నమూనా మాడ్యులస్ మరియు అర్ధగోళ/గుండ్రని చిట్కాతో దగ్గరగా సరిపోయే తక్కువ స్ప్రింగ్ స్థిరాంకం (k) కలిగిన ప్రోబ్‌ను ఉపయోగించడం, తద్వారా మొదటి ప్రోబ్ మృదువైన పదార్థాలతో మొదటి పరిచయంలో నమూనా ఉపరితలాలను గుచ్చుకోదు. ప్రోబ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన విక్షేపణ సిగ్నల్ లేజర్ డిటెక్టర్ సిస్టమ్ ద్వారా గుర్తించబడేంత బలంగా ఉండటం కూడా ముఖ్యం24,34,46,47. అల్ట్రా-సాఫ్ట్ హెటెరోజెనరోజీనస్ కణాలు, కణజాలాలు మరియు జెల్‌ల విషయంలో, పునరుత్పాదక మరియు నమ్మదగిన కొలతలను నిర్ధారించడానికి ప్రోబ్ మరియు నమూనా ఉపరితలం మధ్య అంటుకునే శక్తిని అధిగమించడం మరొక సవాలు48,49,50. ఇటీవలి వరకు, AFM నానోఇండెంటేషన్‌పై చాలా పని సాపేక్షంగా పెద్ద గోళాకార ప్రోబ్‌లను ఉపయోగించి జీవ కణాలు, కణజాలాలు, జెల్లు, హైడ్రోజెల్లు మరియు జీవ అణువుల యాంత్రిక ప్రవర్తన అధ్యయనంపై దృష్టి సారించింది, వీటిని సాధారణంగా కొల్లాయిడల్ ప్రోబ్స్ (CPలు) అని పిలుస్తారు. , 47, 51, 52, 53, 54, 55. ఈ చిట్కాలు 1 నుండి 50 µm వ్యాసార్థాన్ని కలిగి ఉంటాయి మరియు సాధారణంగా బోరోసిలికేట్ గాజు, పాలీమీథైల్ మెథాక్రిలేట్ (PMMA), పాలీస్టైరిన్ (PS), సిలికాన్ డయాక్సైడ్ (SiO2) మరియు డైమండ్ లాంటి కార్బన్ (DLC) నుండి తయారు చేయబడతాయి. CP-AFM నానోఇండెంటేషన్ తరచుగా మృదువైన నమూనా వర్గీకరణకు మొదటి ఎంపిక అయినప్పటికీ, దీనికి దాని స్వంత సమస్యలు మరియు పరిమితులు ఉన్నాయి. పెద్ద, మైక్రాన్-పరిమాణ గోళాకార చిట్కాలను ఉపయోగించడం వల్ల నమూనాతో చిట్కా యొక్క మొత్తం సంపర్క ప్రాంతం పెరుగుతుంది మరియు ప్రాదేశిక స్పష్టత గణనీయంగా తగ్గుతుంది. మృదువైన, అసంపూర్ణ నమూనాల కోసం, స్థానిక మూలకాల యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలు విస్తృత ప్రాంతంలో సగటు నుండి గణనీయంగా భిన్నంగా ఉండవచ్చు, CP ఇండెంటేషన్ స్థానిక స్కేల్‌లోని లక్షణాలలో ఏదైనా అసంపూర్ణతను దాచగలదు52. ఎపాక్సీ అంటుకునే పదార్థాలను ఉపయోగించి చిట్కా లేని కాంటిలివర్‌లకు మైక్రాన్-పరిమాణ ఘర్షణ గోళాలను జోడించడం ద్వారా ఘర్షణ ప్రోబ్‌లు సాధారణంగా తయారు చేయబడతాయి. తయారీ ప్రక్రియ కూడా అనేక సమస్యలతో నిండి ఉంది మరియు ప్రోబ్ క్రమాంకన ప్రక్రియలో అసమానతలకు దారితీస్తుంది. అదనంగా, కొల్లాయిడల్ కణాల పరిమాణం మరియు ద్రవ్యరాశి నేరుగా కాంటిలివర్ యొక్క ప్రధాన క్రమాంకన పారామితులను ప్రభావితం చేస్తాయి, అంటే ప్రతిధ్వని ఫ్రీక్వెన్సీ, స్ప్రింగ్ దృఢత్వం మరియు విక్షేపణ సున్నితత్వం56,57,58. అందువల్ల, సాంప్రదాయ AFM ప్రోబ్‌ల కోసం సాధారణంగా ఉపయోగించే పద్ధతులు, ఉష్ణోగ్రత క్రమాంకనం వంటివి CP కోసం ఖచ్చితమైన క్రమాంకనాన్ని అందించకపోవచ్చు మరియు ఈ దిద్దుబాట్లను నిర్వహించడానికి ఇతర పద్ధతులు అవసరం కావచ్చు57, 59, 60, 61. సాధారణ CP ఇండెంటేషన్ ప్రయోగాలు మృదువైన నమూనాల లక్షణాలను అధ్యయనం చేయడానికి పెద్ద విచలనాలు కాంటిలివర్‌ను ఉపయోగిస్తాయి, ఇది సాపేక్షంగా పెద్ద విచలనాల వద్ద కాంటిలివర్ యొక్క నాన్-లీనియర్ ప్రవర్తనను క్రమాంకనం చేసేటప్పుడు మరొక సమస్యను సృష్టిస్తుంది62,63,64. ఆధునిక కొల్లాయిడల్ ప్రోబ్ ఇండెంటేషన్ పద్ధతులు సాధారణంగా ప్రోబ్‌ను క్రమాంకనం చేయడానికి ఉపయోగించే కాంటిలివర్ యొక్క జ్యామితిని పరిగణనలోకి తీసుకుంటాయి, కానీ కొల్లాయిడల్ కణాల ప్రభావాన్ని విస్మరిస్తాయి, ఇది పద్ధతి యొక్క ఖచ్చితత్వంలో అదనపు అనిశ్చితిని సృష్టిస్తుంది38,61. అదేవిధంగా, కాంటాక్ట్ మోడల్ ఫిట్టింగ్ ద్వారా లెక్కించబడిన సాగే మాడ్యులి నేరుగా ఇండెంటేషన్ ప్రోబ్ యొక్క జ్యామితిపై ఆధారపడి ఉంటుంది మరియు చిట్కా మరియు నమూనా ఉపరితల లక్షణాల మధ్య అసమతుల్యత సరికాని వాటికి దారితీస్తుంది27, 65, 66, 67, 68. స్పెన్సర్ మరియు ఇతరుల ఇటీవలి కొన్ని రచనలు. CP-AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతిని ఉపయోగించి మృదువైన పాలిమర్ బ్రష్‌లను వర్గీకరించేటప్పుడు పరిగణనలోకి తీసుకోవలసిన అంశాలు హైలైట్ చేయబడ్డాయి. వేగం యొక్క విధిగా పాలిమర్ బ్రష్‌లలో జిగట ద్రవాన్ని నిలుపుకోవడం వల్ల హెడ్ లోడింగ్ పెరుగుతుంది మరియు అందువల్ల వేగ ఆధారిత లక్షణాల యొక్క విభిన్న కొలతలు30,69,70,71 అని వారు నివేదించారు.
ఈ అధ్యయనంలో, మేము సవరించిన AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతిని ఉపయోగించి అల్ట్రా-సాఫ్ట్ హైలీ ఎలాస్టిక్ మెటీరియల్ లెహ్ఫిల్కాన్ A CL యొక్క ఉపరితల మాడ్యులస్‌ను వర్గీకరించాము. ఈ పదార్థం యొక్క లక్షణాలు మరియు కొత్త నిర్మాణాన్ని బట్టి, సాంప్రదాయ ఇండెంటేషన్ పద్ధతి యొక్క సున్నితత్వ పరిధి ఈ అత్యంత మృదువైన పదార్థం యొక్క మాడ్యులస్‌ను వర్గీకరించడానికి స్పష్టంగా సరిపోదు, కాబట్టి అధిక సున్నితత్వం మరియు తక్కువ సున్నితత్వంతో AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతిని ఉపయోగించడం అవసరం. ఇప్పటికే ఉన్న కొల్లాయిడల్ AFM ప్రోబ్ నానోఇండెంటేషన్ టెక్నిక్‌ల లోపాలు మరియు సమస్యలను సమీక్షించిన తర్వాత, సున్నితత్వం, నేపథ్య శబ్దం, కాంటాక్ట్ పాయింట్‌ను గుర్తించడానికి, ద్రవ నిలుపుదల ఆధారపడటం మరియు ఖచ్చితమైన పరిమాణీకరణ వంటి మృదువైన వైవిధ్య పదార్థాల వేగ మాడ్యులస్‌ను కొలవడానికి మేము చిన్న, అనుకూలీకరించిన AFM ప్రోబ్‌ను ఎందుకు ఎంచుకున్నామో చూపిస్తాము. అదనంగా, మేము ఇండెంటేషన్ చిట్కా యొక్క ఆకారం మరియు కొలతలను ఖచ్చితంగా కొలవగలిగాము, పదార్థంతో చిట్కా యొక్క సంపర్క ప్రాంతాన్ని అంచనా వేయకుండా స్థితిస్థాపకత యొక్క మాడ్యులస్‌ను నిర్ణయించడానికి కోన్-స్పియర్ ఫిట్ మోడల్‌ను ఉపయోగించడానికి మాకు వీలు కల్పిస్తుంది. ఈ పనిలో లెక్కించబడిన రెండు అవ్యక్త అంచనాలు పూర్తిగా సాగే పదార్థ లక్షణాలు మరియు ఇండెంటేషన్ లోతు-స్వతంత్ర మాడ్యులస్. ఈ పద్ధతిని ఉపయోగించి, మేము మొదట పద్ధతిని లెక్కించడానికి తెలిసిన మాడ్యులస్‌తో అల్ట్రా-సాఫ్ట్ ప్రమాణాలను పరీక్షించాము మరియు తరువాత రెండు వేర్వేరు కాంటాక్ట్ లెన్స్ పదార్థాల ఉపరితలాలను వర్గీకరించడానికి ఈ పద్ధతిని ఉపయోగించాము. పెరిగిన సున్నితత్వంతో AFM నానోఇండెంటేషన్ ఉపరితలాలను వర్గీకరించే ఈ పద్ధతి వైద్య పరికరాలు మరియు బయోమెడికల్ అనువర్తనాలలో సంభావ్య ఉపయోగంతో విస్తృత శ్రేణి బయోమిమెటిక్ హెటెరోజీనోయియా అల్ట్రాసాఫ్ట్ పదార్థాలకు వర్తిస్తుందని భావిస్తున్నారు.
నానోఇండెంటేషన్ ప్రయోగాల కోసం లెహ్‌ఫిల్కాన్ ఎ కాంటాక్ట్ లెన్స్‌లు (ఆల్కాన్, ఫోర్ట్ వర్త్, టెక్సాస్, USA) మరియు వాటి సిలికాన్ హైడ్రోజెల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లను ఎంపిక చేశారు. ప్రయోగంలో ప్రత్యేకంగా రూపొందించిన లెన్స్ మౌంట్‌ను ఉపయోగించారు. పరీక్ష కోసం లెన్స్‌ను ఇన్‌స్టాల్ చేయడానికి, దానిని గోపురం ఆకారపు స్టాండ్‌పై జాగ్రత్తగా ఉంచారు, గాలి బుడగలు లోపలికి రాకుండా చూసుకున్నారు, ఆపై అంచులతో పరిష్కరించారు. లెన్స్ హోల్డర్ పైభాగంలో ఉన్న ఫిక్చర్‌లోని రంధ్రం ద్రవాన్ని ఉంచుతూ నానోఇండెంటేషన్ ప్రయోగాల కోసం లెన్స్ యొక్క ఆప్టికల్ సెంటర్‌కు ప్రాప్యతను అందిస్తుంది. ఇది లెన్స్‌లను పూర్తిగా హైడ్రేటెడ్‌గా ఉంచుతుంది. 500 μl కాంటాక్ట్ లెన్స్ ప్యాకేజింగ్ ద్రావణాన్ని పరీక్ష పరిష్కారంగా ఉపయోగించారు. పరిమాణాత్మక ఫలితాలను ధృవీకరించడానికి, వాణిజ్యపరంగా లభించే నాన్-యాక్టివేటెడ్ పాలియాక్రిలమైడ్ (PAAM) హైడ్రోజెల్‌లను 1 kPa యొక్క తెలిసిన సాగే మాడ్యులస్ అయిన పాలియాక్రిలమైడ్-కో-మిథిలీన్-బిసాక్రిలమైడ్ కూర్పు (100 mm పెట్రిసాఫ్ట్ పెట్రి డిషెస్, మాట్రిజెన్, ఇర్విన్, CA, USA) నుండి తయారు చేశారు. AFM హైడ్రోజెల్-ప్రోబ్ ఇంటర్‌ఫేస్‌లో 4-5 చుక్కలు (సుమారు 125 µl) ఫాస్ఫేట్ బఫర్డ్ సెలైన్ (కార్నింగ్ లైఫ్ సైన్సెస్, టెవ్క్స్‌బరీ, MA, USA నుండి PBS) మరియు OPTI-FREE ప్యూర్‌మోయిస్ట్ కాంటాక్ట్ లెన్స్ సొల్యూషన్ (ఆల్కాన్, వాడ్, TX, USA) 1 చుక్క ఉపయోగించండి.
స్కానింగ్ ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ (STEM) డిటెక్టర్‌తో కూడిన FEI క్వాంటా 250 ఫీల్డ్ ఎమిషన్ స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ (FEG SEM) వ్యవస్థను ఉపయోగించి లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL మరియు SiHy సబ్‌స్ట్రేట్‌ల నమూనాలను దృశ్యమానం చేశారు. నమూనాలను సిద్ధం చేయడానికి, లెన్స్‌లను ముందుగా నీటితో కడిగి పై-ఆకారపు చీలికలుగా కట్ చేశారు. నమూనాల హైడ్రోఫిలిక్ మరియు హైడ్రోఫోబిక్ భాగాల మధ్య అవకలన వ్యత్యాసాన్ని సాధించడానికి, 0.10% స్థిరీకరించిన RuO4 ద్రావణాన్ని డైగా ఉపయోగించారు, దీనిలో నమూనాలను 30 నిమిషాలు ముంచారు. లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL RuO4 స్టెయినింగ్ మెరుగైన అవకలన వ్యత్యాసాన్ని సాధించడానికి మాత్రమే కాకుండా, బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్‌ల నిర్మాణాన్ని వాటి అసలు రూపంలో సంరక్షించడానికి కూడా సహాయపడుతుంది, ఇవి STEM చిత్రాలపై కనిపిస్తాయి. తరువాత వాటిని పెరుగుతున్న ఇథనాల్ సాంద్రతతో ఇథనాల్/నీటి మిశ్రమాల శ్రేణిలో కడిగి డీహైడ్రేట్ చేశారు. తరువాత నమూనాలను EMBed 812/Araldite ఎపాక్సీతో వేయబడ్డాయి, ఇది రాత్రిపూట 70°C వద్ద నయమవుతుంది. రెసిన్ పాలిమరైజేషన్ ద్వారా పొందిన నమూనా బ్లాక్‌లను అల్ట్రామైక్రోటోమ్‌తో కత్తిరించారు మరియు ఫలితంగా వచ్చిన సన్నని విభాగాలను 30 kV యాక్సిలరేటింగ్ వోల్టేజ్ వద్ద తక్కువ వాక్యూమ్ మోడ్‌లో STEM డిటెక్టర్‌తో దృశ్యమానం చేశారు. PFQNM-LC-A-CAL AFM ప్రోబ్ (బ్రూకర్ నానో, శాంటా బార్బరా, CA, USA) యొక్క వివరణాత్మక వర్గీకరణ కోసం అదే SEM వ్యవస్థను ఉపయోగించారు. AFM ప్రోబ్ యొక్క SEM చిత్రాలను 30 kV యాక్సిలరేటింగ్ వోల్టేజ్‌తో సాధారణ అధిక వాక్యూమ్ మోడ్‌లో పొందారు. AFM ప్రోబ్ చిట్కా యొక్క ఆకారం మరియు పరిమాణం యొక్క అన్ని వివరాలను రికార్డ్ చేయడానికి వివిధ కోణాలు మరియు మాగ్నిఫికేషన్‌ల వద్ద చిత్రాలను పొందండి. చిత్రాలలో ఆసక్తి ఉన్న అన్ని చిట్కా కొలతలు డిజిటల్‌గా కొలవబడ్డాయి.
లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL, SiHy సబ్‌స్ట్రేట్ మరియు PAAm హైడ్రోజెల్ నమూనాలను దృశ్యమానం చేయడానికి మరియు నానోఇండెంటేట్ చేయడానికి “పీక్‌ఫోర్స్ QNM ఇన్ ఫ్లూయిడ్” మోడ్‌తో కూడిన డైమెన్షన్ ఫాస్ట్‌స్కాన్ బయో ఐకాన్ అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోప్ (బ్రూకర్ నానో, శాంటా బార్బరా, CA, USA) ఉపయోగించబడింది. ఇమేజింగ్ ప్రయోగాల కోసం, 0.50 Hz స్కాన్ రేటుతో నమూనా యొక్క అధిక రిజల్యూషన్ చిత్రాలను సంగ్రహించడానికి 1 nm నామమాత్రపు చిట్కా వ్యాసార్థంతో PEAKFORCE-HIRS-FA ప్రోబ్ (బ్రూకర్) ఉపయోగించబడింది. అన్ని చిత్రాలను జల ద్రావణంలో తీశారు.
AFM నానోఇండెంటేషన్ ప్రయోగాలు PFQNM-LC-A-CAL ప్రోబ్ (బ్రూకర్) ఉపయోగించి జరిగాయి. AFM ప్రోబ్ 345 nm మందం, 54 µm పొడవు మరియు 4.5 µm వెడల్పు కలిగిన నైట్రైడ్ కాంటిలివర్‌పై సిలికాన్ టిప్‌ను కలిగి ఉంటుంది, దీని ప్రతిధ్వని ఫ్రీక్వెన్సీ 45 kHz. ఇది ప్రత్యేకంగా మృదువైన జీవ నమూనాలపై పరిమాణాత్మక నానోమెకానికల్ కొలతలను వర్గీకరించడానికి మరియు నిర్వహించడానికి రూపొందించబడింది. సెన్సార్లు ఫ్యాక్టరీలో ప్రీ-కాలిబ్రేటెడ్ స్ప్రింగ్ సెట్టింగ్‌లతో వ్యక్తిగతంగా క్రమాంకనం చేయబడతాయి. ఈ అధ్యయనంలో ఉపయోగించిన ప్రోబ్‌ల స్ప్రింగ్ స్థిరాంకాలు 0.05–0.1 N/m పరిధిలో ఉన్నాయి. చిట్కా ఆకారం మరియు పరిమాణాన్ని ఖచ్చితంగా నిర్ణయించడానికి, ప్రోబ్‌ను SEM ఉపయోగించి వివరంగా వర్గీకరించారు. అత్తి పండ్లలో. చిత్రం 1a PFQNM-LC-A-CAL ప్రోబ్ యొక్క అధిక రిజల్యూషన్, తక్కువ మాగ్నిఫికేషన్ స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోగ్రాఫ్‌ను చూపిస్తుంది, ఇది ప్రోబ్ డిజైన్ యొక్క సమగ్ర వీక్షణను అందిస్తుంది. అత్తి పండ్లలో. 1b ప్రోబ్ చిట్కా పైభాగం యొక్క విస్తరించిన దృశ్యాన్ని చూపిస్తుంది, ఇది చిట్కా యొక్క ఆకారం మరియు పరిమాణం గురించి సమాచారాన్ని అందిస్తుంది. చివరి చివరలో, సూది సుమారు 140 nm వ్యాసం కలిగిన అర్ధగోళం (Fig. 1c). దీని క్రింద, చిట్కా శంఖాకార ఆకారంలోకి కుంచించుకుపోతుంది, సుమారు 500 nm పొడవును చేరుకుంటుంది. టేపరింగ్ ప్రాంతం వెలుపల, చిట్కా స్థూపాకారంగా ఉంటుంది మరియు మొత్తం చిట్కా పొడవు 1.18 µmలో ముగుస్తుంది. ఇది ప్రోబ్ చిట్కా యొక్క ప్రధాన క్రియాత్మక భాగం. అదనంగా, 45 µm చిట్కా వ్యాసం మరియు 2 N/m స్ప్రింగ్ స్థిరాంకం కలిగిన పెద్ద గోళాకార పాలీస్టైరిన్ (PS) ప్రోబ్ (నోవాస్కాన్ టెక్నాలజీస్, ఇంక్., బూన్, ఐయోవా, USA) కూడా కొల్లాయిడల్ ప్రోబ్‌గా పరీక్షించడానికి ఉపయోగించబడింది. పోలిక కోసం PFQNM-LC-A-CAL 140 nm ప్రోబ్‌తో.
నానోఇండెంటేషన్ సమయంలో AFM ప్రోబ్ మరియు పాలిమర్ బ్రష్ నిర్మాణం మధ్య ద్రవం చిక్కుకుపోతుందని నివేదించబడింది, ఇది వాస్తవానికి ఉపరితలాన్ని తాకే ముందు AFM ప్రోబ్‌పై పైకి శక్తిని ప్రయోగిస్తుంది69. ద్రవ నిలుపుదల కారణంగా ఈ జిగట ఎక్స్‌ట్రూషన్ ప్రభావం స్పష్టమైన సంపర్క బిందువును మార్చగలదు, తద్వారా ఉపరితల మాడ్యులస్ కొలతలను ప్రభావితం చేస్తుంది. ద్రవ నిలుపుదలపై ప్రోబ్ జ్యామితి మరియు ఇండెంటేషన్ వేగం యొక్క ప్రభావాన్ని అధ్యయనం చేయడానికి, లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL నమూనాల కోసం 1 µm/s మరియు 2 µm/s స్థిరమైన స్థానభ్రంశం రేట్ల వద్ద 140 nm వ్యాసం కలిగిన ప్రోబ్‌ను ఉపయోగించి ఇండెంటేషన్ ఫోర్స్ వక్రతలు ప్లాట్ చేయబడ్డాయి. ప్రోబ్ వ్యాసం 45 µm, స్థిర శక్తి సెట్టింగ్ 6 nN 1 µm/s వద్ద సాధించబడింది. 140 nm వ్యాసం కలిగిన ప్రోబ్‌తో ప్రయోగాలు 1 µm/s ఇండెంటేషన్ వేగం మరియు 300 pN సెట్ ఫోర్స్‌తో నిర్వహించబడ్డాయి, ఎగువ కనురెప్ప యొక్క శారీరక పరిధిలో (1–8 kPa) కాంటాక్ట్ ప్రెజర్‌ను సృష్టించడానికి ఎంపిక చేయబడ్డాయి. పీడనం 72. 1 kPa పీడనం కలిగిన PAA హైడ్రోజెల్ యొక్క మృదువైన రెడీమేడ్ నమూనాలను 140 nm వ్యాసం కలిగిన ప్రోబ్‌ని ఉపయోగించి 1 μm/s వేగంతో 50 pN ఇండెంటేషన్ ఫోర్స్ కోసం పరీక్షించారు.
PFQNM-LC-A-CAL ప్రోబ్ యొక్క కొన యొక్క శంఖాకార భాగం యొక్క పొడవు సుమారు 500 nm కాబట్టి, ఏదైనా ఇండెంటేషన్ లోతు < 500 nm కోసం, ఇండెంటేషన్ సమయంలో ప్రోబ్ యొక్క జ్యామితి దాని కోన్ ఆకారానికి అనుగుణంగా ఉంటుందని సురక్షితంగా భావించవచ్చు. అదనంగా, పరీక్షించబడిన పదార్థం యొక్క ఉపరితలం రివర్సిబుల్ సాగే ప్రతిస్పందనను ప్రదర్శిస్తుందని భావించబడుతుంది, ఇది క్రింది విభాగాలలో కూడా నిర్ధారించబడుతుంది. అందువల్ల, చిట్కా యొక్క ఆకారం మరియు పరిమాణాన్ని బట్టి, మా AFM నానోఇండెంటేషన్ ప్రయోగాలను (నానోస్కోప్) ప్రాసెస్ చేయడానికి మేము బ్రిస్కో, సెబాస్టియన్ మరియు ఆడమ్స్ అభివృద్ధి చేసిన కోన్-స్పియర్ ఫిట్టింగ్ మోడల్‌ను ఎంచుకున్నాము, ఇది విక్రేత సాఫ్ట్‌వేర్‌లో అందుబాటులో ఉంది. సెపరేషన్ డేటా విశ్లేషణ సాఫ్ట్‌వేర్, బ్రూకర్) 73. గోళాకార శిఖరాగ్ర లోపం ఉన్న కోన్ కోసం ఫోర్స్-డిస్ప్లేస్‌మెంట్ సంబంధాన్ని మోడల్ వివరిస్తుంది. అంజీర్‌లో. గోళాకార కొనతో దృఢమైన కోన్ యొక్క పరస్పర చర్య సమయంలో కాంటాక్ట్ జ్యామితిని చిత్రం 2 చూపిస్తుంది, ఇక్కడ R అనేది గోళాకార కొన యొక్క వ్యాసార్థం, a అనేది కాంటాక్ట్ వ్యాసార్థం, b అనేది గోళాకార కొన చివరిలో ఉన్న కాంటాక్ట్ వ్యాసార్థం, δ అనేది కాంటాక్ట్ వ్యాసార్థం. ఇండెంటేషన్ లోతు, θ అనేది కోన్ యొక్క సగం కోణం. ఈ ప్రోబ్ యొక్క SEM చిత్రం 140 nm వ్యాసం కలిగిన గోళాకార కొన ఒక కోన్‌లో టాంజెన్షియల్‌గా విలీనం అవుతుందని స్పష్టంగా చూపిస్తుంది, కాబట్టి ఇక్కడ b అనేది R ద్వారా మాత్రమే నిర్వచించబడింది, అంటే b = R cos θ. విక్రేత-సరఫరా చేసిన సాఫ్ట్‌వేర్ a > b అని భావించి ఫోర్స్ సెపరేషన్ డేటా నుండి యంగ్ యొక్క మాడ్యులస్ (E) విలువలను లెక్కించడానికి కోన్-స్పియర్ సంబంధాన్ని అందిస్తుంది. సంబంధం:
ఇక్కడ F అనేది ఇండెంటేషన్ ఫోర్స్, E అనేది యంగ్ యొక్క మాడ్యులస్, ν అనేది పాయిసన్ నిష్పత్తి. కాంటాక్ట్ వ్యాసార్థం a ని ఉపయోగించి అంచనా వేయవచ్చు:
బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్‌ల ఉపరితల పొరతో లెఫిల్కాన్ కాంటాక్ట్ లెన్స్ యొక్క పదార్థంలోకి గోళాకార కొన నొక్కిన దృఢమైన కోన్ యొక్క కాంటాక్ట్ జ్యామితి యొక్క పథకం.
a ≤ b అయితే, సంబంధం సాంప్రదాయ గోళాకార అంతర్భేధకం యొక్క సమీకరణానికి తగ్గుతుంది;
PMPC పాలిమర్ బ్రష్ యొక్క బ్రాంచ్డ్ స్ట్రక్చర్‌తో ఇండెంటింగ్ ప్రోబ్ యొక్క పరస్పర చర్య వలన కాంటాక్ట్ వ్యాసార్థం a గోళాకార కాంటాక్ట్ వ్యాసార్థం b కంటే ఎక్కువగా ఉంటుందని మేము విశ్వసిస్తున్నాము. అందువల్ల, ఈ అధ్యయనంలో నిర్వహించిన సాగే మాడ్యులస్ యొక్క అన్ని పరిమాణాత్మక కొలతల కోసం, మేము కేసు a > b కోసం పొందిన ఆధారపడటాన్ని ఉపయోగించాము.
ఈ అధ్యయనంలో అధ్యయనం చేయబడిన అల్ట్రాసాఫ్ట్ బయోమిమెటిక్ పదార్థాలను నమూనా క్రాస్ సెక్షన్ యొక్క స్కానింగ్ ట్రాన్స్మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (STEM) మరియు ఉపరితలం యొక్క అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ (AFM) ఉపయోగించి సమగ్రంగా చిత్రించారు. ఈ వివరణాత్మక ఉపరితల లక్షణం మా గతంలో ప్రచురించిన పని యొక్క పొడిగింపుగా నిర్వహించబడింది, దీనిలో PMPC-మార్పు చేయబడిన లెహ్ఫిల్కాన్ A CL ఉపరితలం యొక్క డైనమిక్ బ్రాంచ్డ్ పాలిమెరిక్ బ్రష్ నిర్మాణం స్థానిక కార్నియల్ కణజాలానికి సమానమైన యాంత్రిక లక్షణాలను ప్రదర్శించిందని మేము నిర్ధారించాము 14. ఈ కారణంగా, మేము కాంటాక్ట్ లెన్స్ ఉపరితలాలను బయోమిమెటిక్ పదార్థాలుగా సూచిస్తాము 14. అత్తి. 3a,bలో లెహ్ఫిల్కాన్ A CL ఉపరితలం మరియు చికిత్స చేయని SiHy ఉపరితలం యొక్క ఉపరితలంపై బ్రాంచ్డ్ PMPC పాలిమర్ బ్రష్ నిర్మాణాల క్రాస్ సెక్షన్లను వరుసగా చూపించండి. రెండు నమూనాల ఉపరితలాలను అధిక-రిజల్యూషన్ AFM చిత్రాలను ఉపయోగించి మరింత విశ్లేషించారు, ఇది STEM విశ్లేషణ ఫలితాలను మరింత నిర్ధారించింది (Fig. 3c, d). కలిసి చూస్తే, ఈ చిత్రాలు PMPC బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ నిర్మాణం యొక్క సుమారు పొడవును 300–400 nm వద్ద ఇస్తాయి, ఇది AFM నానోఇండెంటేషన్ కొలతలను వివరించడానికి కీలకం. చిత్రాల నుండి తీసుకోబడిన మరో ముఖ్యమైన పరిశీలన ఏమిటంటే, CL బయోమిమెటిక్ పదార్థం యొక్క మొత్తం ఉపరితల నిర్మాణం SiHy ఉపరితల పదార్థం నుండి పదనిర్మాణపరంగా భిన్నంగా ఉంటుంది. ఇండెంటింగ్ AFM ప్రోబ్‌తో వాటి యాంత్రిక పరస్పర చర్య సమయంలో మరియు తరువాత కొలిచిన మాడ్యులస్ విలువలలో వాటి ఉపరితల స్వరూపంలో ఈ వ్యత్యాసం స్పష్టంగా కనిపిస్తుంది.
(a) లెహ్ఫిల్కాన్ A CL మరియు (b) SiHy సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క క్రాస్-సెక్షనల్ STEM చిత్రాలు. స్కేల్ బార్, 500 nm. లెహ్ఫిల్కాన్ A CL సబ్‌స్ట్రేట్ (c) మరియు బేస్ SiHy సబ్‌స్ట్రేట్ (d) (3 µm × 3 µm) యొక్క ఉపరితలం యొక్క AFM చిత్రాలు.
బయోఇన్స్పైర్డ్ పాలిమర్లు మరియు పాలిమర్ బ్రష్ నిర్మాణాలు అంతర్గతంగా మృదువుగా ఉంటాయి మరియు విస్తృతంగా అధ్యయనం చేయబడ్డాయి మరియు వివిధ బయోమెడికల్ అప్లికేషన్లలో ఉపయోగించబడ్డాయి74,75,76,77. అందువల్ల, వాటి యాంత్రిక లక్షణాలను ఖచ్చితంగా మరియు విశ్వసనీయంగా కొలవగల AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతిని ఉపయోగించడం ముఖ్యం. కానీ అదే సమయంలో, ఈ అల్ట్రా-సాఫ్ట్ పదార్థాల యొక్క ప్రత్యేక లక్షణాలు, చాలా తక్కువ సాగే మాడ్యులస్, అధిక ద్రవ కంటెంట్ మరియు అధిక స్థితిస్థాపకత వంటివి, ఇండెంటింగ్ ప్రోబ్ యొక్క సరైన పదార్థం, ఆకారం మరియు ఆకారాన్ని ఎంచుకోవడం తరచుగా కష్టతరం చేస్తాయి. పరిమాణం. ఇండెంట్ నమూనా యొక్క మృదువైన ఉపరితలాన్ని గుచ్చుకోకుండా ఉండటానికి ఇది ముఖ్యం, ఇది ఉపరితలంతో సంపర్క స్థానం మరియు సంపర్క ప్రాంతాన్ని నిర్ణయించడంలో లోపాలకు దారితీస్తుంది.
దీని కోసం, అల్ట్రా-సాఫ్ట్ బయోమిమెటిక్ పదార్థాల (లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL) పదనిర్మాణం యొక్క సమగ్ర అవగాహన అవసరం. ఇమేజింగ్ పద్ధతిని ఉపయోగించి పొందిన బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్‌ల పరిమాణం మరియు నిర్మాణం గురించి సమాచారం AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతులను ఉపయోగించి ఉపరితలం యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలకు ఆధారాన్ని అందిస్తుంది. మైక్రాన్-పరిమాణ గోళాకార కొల్లాయిడల్ ప్రోబ్‌లకు బదులుగా, మేము 140 nm చిట్కా వ్యాసం కలిగిన PFQNM-LC-A-CAL సిలికాన్ నైట్రైడ్ ప్రోబ్ (బ్రూకర్)ని ఎంచుకున్నాము, ఇది జీవసంబంధమైన నమూనాల యాంత్రిక లక్షణాల పరిమాణాత్మక మ్యాపింగ్ కోసం ప్రత్యేకంగా రూపొందించబడింది 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 సాంప్రదాయ కొల్లాయిడల్ ప్రోబ్‌లతో పోలిస్తే సాపేక్షంగా పదునైన ప్రోబ్‌లను ఉపయోగించడం యొక్క హేతుబద్ధతను పదార్థం యొక్క నిర్మాణ లక్షణాల ద్వారా వివరించవచ్చు. Fig. 3a లో చూపిన CL లెహ్‌ఫిల్కాన్ A ఉపరితలంపై ఉన్న బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్‌లతో ప్రోబ్ టిప్ సైజు (~140 nm) ను పోల్చి చూస్తే, ఈ బ్రష్ నిర్మాణాలతో నేరుగా సంబంధంలోకి వచ్చేంత పెద్దదిగా చిట్కా ఉందని నిర్ధారించవచ్చు, ఇది చిట్కా వాటి ద్వారా గుచ్చుకునే అవకాశాన్ని తగ్గిస్తుంది. ఈ పాయింట్‌ను వివరించడానికి, Fig. 4 లో లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL మరియు AFM ప్రోబ్ యొక్క ఇండెంటింగ్ టిప్ యొక్క STEM ఇమేజ్ (స్కేల్‌కు గీసారు).
లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL యొక్క STEM ఇమేజ్ మరియు ACM ఇండెంటేషన్ ప్రోబ్ (స్కేల్‌కి గీసినది) చూపించే స్కీమాటిక్.
అదనంగా, 140 nm యొక్క చిట్కా పరిమాణం CP-AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతి ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన పాలిమర్ బ్రష్‌ల కోసం గతంలో నివేదించబడిన స్టిక్కీ ఎక్స్‌ట్రూషన్ ప్రభావాల ప్రమాదాన్ని నివారించడానికి సరిపోతుంది69,71. ఈ AFM చిట్కా యొక్క ప్రత్యేక కోన్-గోళాకార ఆకారం మరియు సాపేక్షంగా చిన్న పరిమాణం కారణంగా (Fig. 1), లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL నానోఇండెంటేషన్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఫోర్స్ కర్వ్ యొక్క స్వభావం ఇండెంటేషన్ వేగం లేదా లోడింగ్/అన్‌లోడ్ వేగంపై ఆధారపడి ఉండదని మేము భావిస్తున్నాము. అందువల్ల, ఇది పోరోఎలాస్టిక్ ప్రభావాల ద్వారా ప్రభావితం కాదు. ఈ పరికల్పనను పరీక్షించడానికి, లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL నమూనాలను PFQNM-LC-A-CAL ప్రోబ్‌ని ఉపయోగించి స్థిర గరిష్ట శక్తి వద్ద ఇండెంట్ చేశారు, కానీ రెండు వేర్వేరు వేగాలతో, మరియు ఫలితంగా వచ్చే తన్యత మరియు ఉపసంహరణ శక్తి వక్రతలు విభజనలో (µm) ఫోర్స్ (nN) ప్లాట్ చేయడానికి ఉపయోగించబడ్డాయి (µm) చిత్రం 5aలో చూపబడింది. లోడ్ మరియు అన్‌లోడ్ సమయంలో ఫోర్స్ వక్రతలు పూర్తిగా అతివ్యాప్తి చెందుతాయని స్పష్టంగా తెలుస్తుంది మరియు చిత్రంలో ఇండెంటేషన్ వేగంతో సున్నా ఇండెంటేషన్ లోతు వద్ద ఫోర్స్ షీర్ పెరుగుతుందని స్పష్టమైన ఆధారాలు లేవు, ఇది వ్యక్తిగత బ్రష్ మూలకాలను పోరోఎలాస్టిక్ ప్రభావం లేకుండా వర్గీకరించబడిందని సూచిస్తుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, ద్రవ నిలుపుదల ప్రభావాలు (జిగట ఎక్స్‌ట్రూషన్ మరియు పోరోఎలాస్టిసిటీ ప్రభావాలు) 45 µm వ్యాసం కలిగిన AFM ప్రోబ్‌కు అదే ఇండెంటేషన్ వేగంతో స్పష్టంగా కనిపిస్తాయి మరియు స్ట్రెచ్ మరియు రిట్రాక్ట్ వక్రతల మధ్య హిస్టెరిసిస్ ద్వారా హైలైట్ చేయబడతాయి, ఇది చిత్రం 5bలో చూపబడింది. ఈ ఫలితాలు పరికల్పనకు మద్దతు ఇస్తాయి మరియు అటువంటి మృదువైన ఉపరితలాలను వర్గీకరించడానికి 140 nm వ్యాసం కలిగిన ప్రోబ్‌లు మంచి ఎంపిక అని సూచిస్తున్నాయి.
ACM ఉపయోగించి lehfilcon A CL ఇండెంటేషన్ ఫోర్స్ వక్రతలు; (a) రెండు లోడింగ్ రేట్ల వద్ద 140 nm వ్యాసం కలిగిన ప్రోబ్‌ను ఉపయోగించడం, ఉపరితల ఇండెంటేషన్ సమయంలో పోరోఎలాస్టిక్ ప్రభావం లేకపోవడాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది; (b) 45 µm మరియు 140 nm వ్యాసం కలిగిన ప్రోబ్‌లను ఉపయోగించడం. s చిన్న ప్రోబ్‌లతో పోలిస్తే పెద్ద ప్రోబ్‌లకు విస్కాస్ ఎక్స్‌ట్రూషన్ మరియు పోరోఎలాస్టిసిటీ ప్రభావాలను చూపుతుంది.
అల్ట్రాసాఫ్ట్ ఉపరితలాలను వర్గీకరించడానికి, అధ్యయనంలో ఉన్న పదార్థం యొక్క లక్షణాలను అధ్యయనం చేయడానికి AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతులు ఉత్తమ ప్రోబ్‌ను కలిగి ఉండాలి. చిట్కా ఆకారం మరియు పరిమాణంతో పాటు, AFM డిటెక్టర్ వ్యవస్థ యొక్క సున్నితత్వం, పరీక్ష వాతావరణంలో చిట్కా విక్షేపణకు సున్నితత్వం మరియు కాంటిలివర్ దృఢత్వం నానోఇండెంటేషన్ కొలతల యొక్క ఖచ్చితత్వం మరియు విశ్వసనీయతను నిర్ణయించడంలో ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తాయి. మా AFM వ్యవస్థ కోసం, పొజిషన్ సెన్సిటివ్ డిటెక్టర్ (PSD) గుర్తింపు పరిమితి సుమారుగా 0.5 mV మరియు ఇది ప్రీ-కాలిబ్రేటెడ్ స్ప్రింగ్ రేటు మరియు PFQNM-LC-A-CAL ప్రోబ్ యొక్క లెక్కించిన ద్రవ విక్షేపణ సున్నితత్వంపై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇది సైద్ధాంతిక లోడ్ సున్నితత్వానికి అనుగుణంగా ఉంటుంది. 0.1 pN కంటే తక్కువ. అందువల్ల, ఈ పద్ధతి ఎటువంటి పరిధీయ శబ్ద భాగం లేకుండా కనీస ఇండెంటేషన్ ఫోర్స్ ≤ 0.1 pN యొక్క కొలతను అనుమతిస్తుంది. అయితే, యాంత్రిక కంపనం మరియు ద్రవ డైనమిక్స్ వంటి అంశాల కారణంగా AFM వ్యవస్థ పరిధీయ శబ్దాన్ని ఈ స్థాయికి తగ్గించడం దాదాపు అసాధ్యం. ఈ కారకాలు AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతి యొక్క మొత్తం సున్నితత్వాన్ని పరిమితం చేస్తాయి మరియు సుమారు ≤ 10 pN యొక్క నేపథ్య శబ్ద సంకేతానికి కూడా కారణమవుతాయి. ఉపరితల లక్షణం కోసం, లెహ్ఫిల్కాన్ A CL మరియు SiHy ఉపరితల నమూనాలను SEM లక్షణం కోసం 140 nm ప్రోబ్‌ని ఉపయోగించి పూర్తిగా హైడ్రేటెడ్ పరిస్థితులలో ఇండెంట్ చేశారు మరియు ఫలితంగా వచ్చే శక్తి వక్రతలు శక్తి (pN) మరియు పీడనం మధ్య సూపర్‌పోజ్ చేయబడ్డాయి. విభజన ప్లాట్ (µm) చిత్రం 6aలో చూపబడింది. SiHy బేస్ ఉపరితలంతో పోలిస్తే, లెహ్ఫిల్కాన్ A CL ఫోర్స్ వక్రరేఖ ఫోర్క్డ్ పాలిమర్ బ్రష్‌తో సంపర్క బిందువు వద్ద ప్రారంభమై అంతర్లీన పదార్థంతో చిట్కా యొక్క వాలు మార్కింగ్ సంపర్కంలో పదునైన మార్పుతో ముగిసే పరివర్తన దశను స్పష్టంగా చూపిస్తుంది. ఫోర్స్ వక్రరేఖ యొక్క ఈ పరివర్తన భాగం ఉపరితలంపై బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ యొక్క నిజమైన సాగే ప్రవర్తనను హైలైట్ చేస్తుంది, ఇది టెన్షన్ వక్రతను దగ్గరగా అనుసరించే కంప్రెషన్ వక్రత మరియు బ్రష్ నిర్మాణం మరియు స్థూలమైన SiHy పదార్థం మధ్య యాంత్రిక లక్షణాలలో వ్యత్యాసం ద్వారా రుజువు అవుతుంది. లెఫిల్కాన్‌ను పోల్చినప్పుడు. PCS యొక్క STEM ఇమేజ్‌లో బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ యొక్క సగటు పొడవు (Fig. 3a) మరియు Fig. 3a. 6a లోని అబ్సిస్సా వెంట దాని ఫోర్స్ కర్వ్‌ను వేరు చేయడం వలన, ఈ పద్ధతి చిట్కా మరియు బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ ఉపరితలం పైభాగానికి చేరుకోవడాన్ని గుర్తించగలదని చూపిస్తుంది. బ్రష్ నిర్మాణాల మధ్య పరిచయం. అదనంగా, ఫోర్స్ వక్రతల దగ్గరి అతివ్యాప్తి ద్రవ నిలుపుదల ప్రభావాన్ని సూచించదు. ఈ సందర్భంలో, సూది మరియు నమూనా ఉపరితలం మధ్య ఎటువంటి సంశ్లేషణ ఉండదు. రెండు నమూనాల కోసం ఫోర్స్ వక్రతల పైభాగాలు అతివ్యాప్తి చెందుతాయి, ఇది సబ్‌స్ట్రేట్ పదార్థాల యాంత్రిక లక్షణాల సారూప్యతను ప్రతిబింబిస్తుంది.
(ఎ) లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL సబ్‌స్ట్రేట్‌లు మరియు SiHy సబ్‌స్ట్రేట్‌ల కోసం AFM నానోఇండెంటేషన్ ఫోర్స్ వక్రతలు, (బి) బ్యాక్‌గ్రౌండ్ నాయిస్ థ్రెషోల్డ్ పద్ధతిని ఉపయోగించి కాంటాక్ట్ పాయింట్ అంచనాను చూపించే ఫోర్స్ వక్రతలు.
ఫోర్స్ కర్వ్ యొక్క సూక్ష్మ వివరాలను అధ్యయనం చేయడానికి, లెహ్ఫిల్కాన్ A CL నమూనా యొక్క టెన్షన్ కర్వ్‌ను Fig. 6bలో y-అక్షం వెంట గరిష్టంగా 50 pN శక్తితో తిరిగి ప్లాట్ చేయబడింది. ఈ గ్రాఫ్ అసలు నేపథ్య శబ్దం గురించి ముఖ్యమైన సమాచారాన్ని అందిస్తుంది. శబ్దం ±10 pN పరిధిలో ఉంటుంది, ఇది కాంటాక్ట్ పాయింట్‌ను ఖచ్చితంగా నిర్ణయించడానికి మరియు ఇండెంటేషన్ డెప్త్‌ను లెక్కించడానికి ఉపయోగించబడుతుంది. సాహిత్యంలో నివేదించబడినట్లుగా, మాడ్యులస్85 వంటి మెటీరియల్ లక్షణాలను ఖచ్చితంగా అంచనా వేయడానికి కాంటాక్ట్ పాయింట్ల గుర్తింపు చాలా కీలకం. ఫోర్స్ కర్వ్ డేటా యొక్క ఆటోమేటిక్ ప్రాసెసింగ్‌తో కూడిన విధానం డేటా ఫిట్టింగ్ మరియు మృదువైన పదార్థాల కోసం పరిమాణాత్మక కొలతల మధ్య మెరుగైన ఫిట్‌ను చూపించింది86. ఈ పనిలో, కాంటాక్ట్ పాయింట్ల ఎంపిక సాపేక్షంగా సరళమైనది మరియు లక్ష్యం, కానీ దీనికి దాని పరిమితులు ఉన్నాయి. కాంటాక్ట్ పాయింట్‌ను నిర్ణయించడానికి మా సాంప్రదాయిక విధానం చిన్న ఇండెంటేషన్ డెప్త్‌లకు (<100 nm) కొంచెం ఎక్కువగా అంచనా వేయబడిన మాడ్యులస్ విలువలకు దారితీయవచ్చు. అల్గోరిథం-ఆధారిత టచ్‌పాయింట్ డిటెక్షన్ మరియు ఆటోమేటెడ్ డేటా ప్రాసెసింగ్‌ను ఉపయోగించడం భవిష్యత్తులో మా పద్ధతిని మరింత మెరుగుపరచడానికి ఈ పని యొక్క కొనసాగింపు కావచ్చు. అందువల్ల, ±10 pN క్రమంలో అంతర్గత నేపథ్య శబ్దం కోసం, మేము కాంటాక్ట్ పాయింట్‌ను ≥10 pN విలువతో చిత్రం 6bలోని x-అక్షంపై మొదటి డేటా పాయింట్‌గా నిర్వచించాము. అప్పుడు, 10 pN యొక్క శబ్దం థ్రెషోల్డ్‌కు అనుగుణంగా, ~0.27 µm స్థాయిలో ఒక నిలువు రేఖ ఉపరితలంతో సంపర్క బిందువును సూచిస్తుంది, ఆ తర్వాత ఉపరితలం ~270 nm యొక్క ఇండెంటేషన్ లోతును కలిసే వరకు సాగతీత వక్రత కొనసాగుతుంది. ఆసక్తికరంగా, ఇమేజింగ్ పద్ధతిని ఉపయోగించి కొలిచిన బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ లక్షణాల (300–400 nm) పరిమాణం ఆధారంగా, CL లెహ్‌ఫిల్కాన్ యొక్క ఇండెంటేషన్ లోతు నేపథ్య శబ్దం థ్రెషోల్డ్ పద్ధతిని ఉపయోగించి గమనించిన నమూనా దాదాపు 270 nm, ఇది STEMతో కొలత పరిమాణానికి చాలా దగ్గరగా ఉంటుంది. ఈ ఫలితాలు ఈ చాలా మృదువైన మరియు అత్యంత సాగే బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ నిర్మాణం యొక్క ఇండెంటేషన్ కోసం AFM ప్రోబ్ చిట్కా యొక్క ఆకారం మరియు పరిమాణం యొక్క అనుకూలత మరియు అనువర్తనాన్ని మరింత నిర్ధారిస్తాయి. కాంటాక్ట్ పాయింట్లను గుర్తించడానికి నేపథ్య శబ్దాన్ని థ్రెషోల్డ్‌గా ఉపయోగించే మా పద్ధతికి మద్దతు ఇవ్వడానికి ఈ డేటా బలమైన ఆధారాలను కూడా అందిస్తుంది. అందువల్ల, గణిత నమూనా మరియు ఫోర్స్ కర్వ్ ఫిట్టింగ్ నుండి పొందిన ఏవైనా పరిమాణాత్మక ఫలితాలు సాపేక్షంగా ఖచ్చితమైనవిగా ఉండాలి.
AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతుల ద్వారా పరిమాణాత్మక కొలతలు డేటా ఎంపిక మరియు తదుపరి విశ్లేషణ కోసం ఉపయోగించే గణిత నమూనాలపై పూర్తిగా ఆధారపడి ఉంటాయి. అందువల్ల, ఒక నిర్దిష్ట నమూనాను ఎంచుకునే ముందు ఇండెంటర్ ఎంపిక, పదార్థ లక్షణాలు మరియు వాటి పరస్పర చర్య యొక్క మెకానిక్‌లకు సంబంధించిన అన్ని అంశాలను పరిగణనలోకి తీసుకోవడం చాలా ముఖ్యం. ఈ సందర్భంలో, SEM మైక్రోగ్రాఫ్‌లను ఉపయోగించి చిట్కా జ్యామితిని జాగ్రత్తగా వర్గీకరించారు (Fig. 1), మరియు ఫలితాల ఆధారంగా, హార్డ్ కోన్ మరియు గోళాకార చిట్కా జ్యామితితో 140 nm వ్యాసం కలిగిన AFM నానోఇండెంటింగ్ ప్రోబ్ లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL79 నమూనాలను వర్గీకరించడానికి మంచి ఎంపిక. జాగ్రత్తగా మూల్యాంకనం చేయవలసిన మరో ముఖ్యమైన అంశం ఏమిటంటే పరీక్షించబడుతున్న పాలిమర్ పదార్థం యొక్క స్థితిస్థాపకత. నానోఇండెంటేషన్ యొక్క ప్రారంభ డేటా (Figs. 5a మరియు 6a) టెన్షన్ మరియు కంప్రెషన్ వక్రతల అతివ్యాప్తి యొక్క లక్షణాలను స్పష్టంగా వివరిస్తుంది, అంటే, పదార్థం యొక్క పూర్తి సాగే పునరుద్ధరణ, పరిచయాల పూర్తిగా సాగే స్వభావాన్ని నిర్ధారించడం చాలా ముఖ్యం. ఈ క్రమంలో, లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL నమూనా ఉపరితలంపై ఒకే స్థానంలో 1 µm/s ఇండెంటేషన్ రేటుతో పూర్తి హైడ్రేషన్ పరిస్థితులలో రెండు వరుస ఇండెంటేషన్‌లు జరిగాయి. ఫలితంగా వచ్చే ఫోర్స్ కర్వ్ డేటా అంజీర్ 7లో చూపబడింది మరియు ఊహించినట్లుగా, రెండు ప్రింట్ల విస్తరణ మరియు కుదింపు వక్రతలు దాదాపు ఒకేలా ఉంటాయి, ఇది బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ నిర్మాణం యొక్క అధిక స్థితిస్థాపకతను హైలైట్ చేస్తుంది.
లెహ్ఫిల్కాన్ A CL ఉపరితలంపై ఒకే స్థానంలో ఉన్న రెండు ఇండెంటేషన్ ఫోర్స్ వక్రతలు లెన్స్ ఉపరితలం యొక్క ఆదర్శ స్థితిస్థాపకతను సూచిస్తాయి.
ప్రోబ్ టిప్ మరియు లెహ్ఫిల్కాన్ A CL ఉపరితలం యొక్క SEM మరియు STEM చిత్రాల నుండి పొందిన సమాచారం ఆధారంగా, కోన్-స్పియర్ మోడల్ అనేది AFM ప్రోబ్ టిప్ మరియు పరీక్షించబడుతున్న మృదువైన పాలిమర్ పదార్థం మధ్య పరస్పర చర్య యొక్క సహేతుకమైన గణిత ప్రాతినిధ్యం. అదనంగా, ఈ కోన్-స్పియర్ మోడల్ కోసం, ముద్రించిన పదార్థం యొక్క సాగే లక్షణాల గురించి ప్రాథమిక అంచనాలు ఈ కొత్త బయోమిమెటిక్ పదార్థానికి నిజం మరియు సాగే మాడ్యులస్‌ను లెక్కించడానికి ఉపయోగించబడతాయి.
ఇండెంటేషన్ ప్రోబ్ లక్షణాలు (ఆకారం, పరిమాణం మరియు స్ప్రింగ్ దృఢత్వం), సున్నితత్వం (నేపథ్య శబ్దం మరియు కాంటాక్ట్ పాయింట్ అంచనా) మరియు డేటా ఫిట్టింగ్ నమూనాలు (పరిమాణాత్మక మాడ్యులస్ కొలతలు) సహా AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతి మరియు దాని భాగాల సమగ్ర మూల్యాంకనం తర్వాత, ఈ పద్ధతి ఉపయోగించబడింది. పరిమాణాత్మక ఫలితాలను ధృవీకరించడానికి వాణిజ్యపరంగా అందుబాటులో ఉన్న అల్ట్రా-సాఫ్ట్ నమూనాలను వర్గీకరించండి. 1 kPa యొక్క సాగే మాడ్యులస్‌తో కూడిన వాణిజ్య పాలియాక్రిలమైడ్ (PAAM) హైడ్రోజెల్‌ను 140 nm ప్రోబ్ ఉపయోగించి హైడ్రేటెడ్ పరిస్థితులలో పరీక్షించారు. మాడ్యూల్ పరీక్ష మరియు గణనల వివరాలు అనుబంధ సమాచారంలో అందించబడ్డాయి. కొలిచిన సగటు మాడ్యులస్ 0.92 kPa అని మరియు తెలిసిన మాడ్యులస్ నుండి %RSD మరియు శాతం (%) విచలనం 10% కంటే తక్కువగా ఉందని ఫలితాలు చూపించాయి. ఈ ఫలితాలు అల్ట్రాసాఫ్ట్ పదార్థాల మాడ్యులిని కొలవడానికి ఈ పనిలో ఉపయోగించిన AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతి యొక్క ఖచ్చితత్వం మరియు పునరుత్పత్తి సామర్థ్యాన్ని నిర్ధారిస్తాయి. లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL నమూనాల ఉపరితలాలు మరియు SiHy బేస్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను ఇండెంటేషన్ డెప్త్ యొక్క ఫంక్షన్‌గా అల్ట్రాసాఫ్ట్ ఉపరితలం యొక్క స్పష్టమైన కాంటాక్ట్ మాడ్యులస్‌ను అధ్యయనం చేయడానికి అదే AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతిని ఉపయోగించి మరింత వర్గీకరించారు. 300 pN శక్తి, 1 µm/s వేగం మరియు పూర్తి హైడ్రేషన్ వద్ద ప్రతి రకానికి చెందిన మూడు నమూనాల కోసం (n = 3; ఒక నమూనాకు ఒక ఇండెంటేషన్) ఇండెంటేషన్ ఫోర్స్ సెపరేషన్ వక్రతలు రూపొందించబడ్డాయి. కోన్-స్పియర్ మోడల్‌ను ఉపయోగించి ఇండెంటేషన్ ఫోర్స్ షేరింగ్ వక్రతను అంచనా వేయబడింది. ఇండెంటేషన్ డెప్త్‌పై ఆధారపడిన మాడ్యులస్‌ను పొందడానికి, కాంటాక్ట్ పాయింట్ నుండి ప్రారంభించి 20 nm యొక్క ప్రతి ఇంక్రిమెంట్ వద్ద ఫోర్స్ కర్వ్ యొక్క 40 nm వెడల్పు భాగాన్ని సెట్ చేశారు మరియు ఫోర్స్ కర్వ్ యొక్క ప్రతి దశలో మాడ్యులస్ యొక్క కొలిచిన విలువలను సెట్ చేశారు. స్పిన్ సై మరియు ఇతరులు. కొల్లాయిడల్ AFM ప్రోబ్ నానోఇండెంటేషన్‌ని ఉపయోగించి పాలీ(లారిల్ మెథాక్రిలేట్) (P12MA) పాలిమర్ బ్రష్‌ల మాడ్యులస్ గ్రేడియంట్‌ను వర్గీకరించడానికి ఇదే విధమైన విధానాన్ని ఉపయోగించారు మరియు అవి హెర్ట్జ్ కాంటాక్ట్ మోడల్‌ని ఉపయోగించి డేటాకు అనుగుణంగా ఉంటాయి. ఈ విధానం స్పష్టమైన కాంటాక్ట్ మాడ్యులస్ (kPa) వర్సెస్ ఇండెంటేషన్ డెప్త్ (nm) యొక్క ప్లాట్‌ను అందిస్తుంది, ఇది చిత్రం 8లో చూపిన విధంగా స్పష్టమైన కాంటాక్ట్ మాడ్యులస్/డెప్త్ గ్రేడియంట్‌ను వివరిస్తుంది. CL లెహ్‌ఫిల్కాన్ A నమూనా యొక్క లెక్కించిన సాగే మాడ్యులస్ నమూనా యొక్క ఎగువ 100 nm లోపల 2–3 kPa పరిధిలో ఉంటుంది, అంతకు మించి అది లోతుతో పెరగడం ప్రారంభమవుతుంది. మరోవైపు, ఉపరితలంపై బ్రష్ లాంటి ఫిల్మ్ లేకుండా SiHy బేస్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను పరీక్షించేటప్పుడు, 300 pN శక్తితో సాధించిన గరిష్ట ఇండెంటేషన్ డెప్త్ 50 nm కంటే తక్కువగా ఉంటుంది మరియు డేటా నుండి పొందిన మాడ్యులస్ విలువ దాదాపు 400 kPa ఉంటుంది, ఇది బల్క్ మెటీరియల్స్ కోసం యంగ్ యొక్క మాడ్యులస్ విలువలతో పోల్చవచ్చు.
మాడ్యులస్‌ను కొలవడానికి కోన్-స్పియర్ జ్యామితితో AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతిని ఉపయోగించి లెహ్‌ఫిల్కాన్ A CL మరియు SiHy సబ్‌స్ట్రేట్‌ల కోసం స్పష్టమైన కాంటాక్ట్ మాడ్యులస్ (kPa) vs. ఇండెంటేషన్ డెప్త్ (nm).
నవల బయోమిమెటిక్ బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ నిర్మాణం యొక్క పైభాగం చాలా తక్కువ స్థితిస్థాపకత మాడ్యులస్ (2–3 kPa) ను ప్రదర్శిస్తుంది. ఇది STEM చిత్రంలో చూపిన విధంగా ఫోర్క్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ యొక్క స్వేచ్ఛగా వేలాడే చివరతో సరిపోతుంది. CL యొక్క బయటి అంచు వద్ద మాడ్యులస్ ప్రవణతకు కొన్ని ఆధారాలు ఉన్నప్పటికీ, ప్రధాన అధిక మాడ్యులస్ ఉపరితలం మరింత ప్రభావవంతంగా ఉంటుంది. అయితే, ఉపరితలం యొక్క పైభాగం 100 nm బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ యొక్క మొత్తం పొడవులో 20% లోపల ఉంటుంది, కాబట్టి ఈ ఇండెంటేషన్ డెప్త్ పరిధిలో మాడ్యులస్ యొక్క కొలిచిన విలువలు సాపేక్షంగా ఖచ్చితమైనవి మరియు దిగువ వస్తువు యొక్క ప్రభావంపై బలంగా ఆధారపడవని భావించడం సమంజసం.
లెహ్‌ఫిల్కాన్ A కాంటాక్ట్ లెన్స్‌ల యొక్క ప్రత్యేకమైన బయోమిమెటిక్ డిజైన్ కారణంగా, SiHy సబ్‌స్ట్రేట్‌ల ఉపరితలంపై అంటుకట్టబడిన బ్రాంచ్డ్ PMPC పాలిమర్ బ్రష్ నిర్మాణాలను కలిగి ఉంటుంది, సాంప్రదాయ కొలత పద్ధతులను ఉపయోగించి వాటి ఉపరితల నిర్మాణాల యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలను విశ్వసనీయంగా వర్గీకరించడం చాలా కష్టం. అధిక నీటి కంటెంట్ మరియు చాలా ఎక్కువ స్థితిస్థాపకత కలిగిన లెఫిల్కాన్ A వంటి అల్ట్రా-సాఫ్ట్ పదార్థాలను ఖచ్చితంగా వర్గీకరించడానికి మేము ఇక్కడ ఒక అధునాతన AFM నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతిని అందిస్తున్నాము. ఈ పద్ధతి AFM ప్రోబ్ వాడకంపై ఆధారపడి ఉంటుంది, దీని చిట్కా పరిమాణం మరియు జ్యామితి ముద్రించబడే అల్ట్రా-సాఫ్ట్ ఉపరితల లక్షణాల నిర్మాణ కొలతలకు సరిపోలడానికి జాగ్రత్తగా ఎంపిక చేయబడతాయి. ప్రోబ్ మరియు నిర్మాణం మధ్య కొలతల కలయిక పెరిగిన సున్నితత్వాన్ని అందిస్తుంది, పోరోఎలాస్టిక్ ప్రభావాలతో సంబంధం లేకుండా బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్ మూలకాల యొక్క తక్కువ మాడ్యులస్ మరియు స్వాభావిక సాగే లక్షణాలను కొలవడానికి మాకు వీలు కల్పిస్తుంది. లెన్స్ ఉపరితలం యొక్క లక్షణం అయిన ప్రత్యేకమైన బ్రాంచ్డ్ PMPC పాలిమర్ బ్రష్‌లు జల వాతావరణంలో పరీక్షించినప్పుడు చాలా తక్కువ సాగే మాడ్యులస్ (2 kPa వరకు) మరియు చాలా ఎక్కువ స్థితిస్థాపకత (దాదాపు 100%) కలిగి ఉన్నాయని ఫలితాలు చూపించాయి. AFM నానోఇండెంటేషన్ ఫలితాలు బయోమిమెటిక్ లెన్స్ ఉపరితలం యొక్క స్పష్టమైన కాంటాక్ట్ మాడ్యులస్/డెప్త్ గ్రేడియంట్ (30 kPa/200 nm) ను వర్గీకరించడానికి కూడా మాకు అనుమతి ఇచ్చాయి. ఈ గ్రేడియంట్ బ్రాంచ్డ్ పాలిమర్ బ్రష్‌లు మరియు SiHy సబ్‌స్ట్రేట్ మధ్య మాడ్యులస్ వ్యత్యాసం లేదా పాలిమర్ బ్రష్‌ల యొక్క బ్రాంచ్డ్ స్ట్రక్చర్/డెన్సిటీ లేదా వాటి కలయిక వల్ల కావచ్చు. అయితే, నిర్మాణం మరియు లక్షణాల మధ్య సంబంధాన్ని పూర్తిగా అర్థం చేసుకోవడానికి మరింత లోతైన అధ్యయనాలు అవసరం, ముఖ్యంగా యాంత్రిక లక్షణాలపై బ్రష్ బ్రాంచింగ్ ప్రభావం. ఇలాంటి కొలతలు ఇతర అల్ట్రా-సాఫ్ట్ పదార్థాలు మరియు వైద్య పరికరాల ఉపరితలం యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలను వర్గీకరించడంలో సహాయపడతాయి.
ప్రస్తుత అధ్యయనంలో ఉత్పత్తి చేయబడిన మరియు/లేదా విశ్లేషించబడిన డేటాసెట్‌లు సంబంధిత రచయితల నుండి సహేతుకమైన అభ్యర్థనపై అందుబాటులో ఉన్నాయి.
రహమతి, ఎం., సిల్వా, ఇఎ, రెసెలాండ్, జెఇ, హేవార్డ్, కె. మరియు హౌగెన్, హెచ్జె బయోమెటీరియల్స్ ఉపరితలాల భౌతిక మరియు రసాయన లక్షణాలకు జీవ ప్రతిచర్యలు. రసాయన. సమాజం. ఎడ్. 49, 5178–5224 (2020).
చెన్, FM మరియు లియు, X. కణజాల ఇంజనీరింగ్ కోసం మానవ-ఉత్పన్న బయోమెటీరియల్స్ మెరుగుదల. ప్రోగ్రామింగ్. పాలిమర్. సైన్స్. 53, 86 (2016).
సాడ్లర్, కె. మరియు ఇతరులు. పునరుత్పత్తి వైద్యంలో బయోమెటీరియల్స్ యొక్క డిజైన్, క్లినికల్ అమలు మరియు రోగనిరోధక ప్రతిస్పందన. నేషనల్ మాట్ రెవ. 1, 16040 (2016).
ఆలివర్ WK మరియు ఫార్ GM లోడ్ మరియు స్థానభ్రంశం కొలతలతో ఇండెంటేషన్ ప్రయోగాలను ఉపయోగించి కాఠిన్యం మరియు సాగే మాడ్యులస్‌ను నిర్ణయించడానికి మెరుగైన పద్ధతి. J. అల్మా మేటర్. నిల్వ ట్యాంక్. 7, 1564–1583 (2011).
వాలీ, SM ఇండెంటేషన్ కాఠిన్యం పరీక్ష యొక్క చారిత్రక మూలాలు. అల్మా మేటర్. సైన్స్. టెక్నాలజీస్. 28, 1028–1044 (2012).
బ్రోయిట్‌మాన్, E. మాక్రో-, మైక్రో- మరియు నానోస్కేల్‌లో ఇండెంటేషన్ కాఠిన్యం కొలతలు: ఒక క్లిష్టమైన సమీక్ష. తెగ. రైట్. 65, 1–18 (2017).
కౌఫ్‌మన్, జెడి మరియు క్లాపెరిచ్, ఎస్ఎమ్ ఉపరితల గుర్తింపు లోపాలు మృదువైన పదార్థాల నానోఇండెంటేషన్‌లో మాడ్యులస్ అతిగా అంచనా వేయడానికి దారితీస్తాయి. జె. మెచా. ప్రవర్తన. బయోమెడికల్ సైన్స్. అల్మా మేటర్. 2, 312–317 (2009).
కరీమ్‌జాడే ఎ., కోలూర్ ఎస్‌ఎస్‌ఆర్, అయతోల్లఖి ఎంఆర్, బుష్రోవా ఎఆర్ మరియు యాహ్యా ఎం.యు. ప్రయోగాత్మక మరియు గణన పద్ధతులను ఉపయోగించి వైవిధ్య నానోకంపోజిట్‌ల యాంత్రిక లక్షణాలను నిర్ణయించడానికి నానోఇండెంటేషన్ పద్ధతి యొక్క మూల్యాంకనం. సైన్స్. హౌస్ 9, 15763 (2019).
లియు, కె., వాన్ లెండింగ్ హామ్, ఎంఆర్, మరియు ఓవార్ట్, టిఎస్. ఇండెంటేషన్ మరియు ఆప్టిమైజేషన్-ఆధారిత విలోమ పరిమిత మూలక విశ్లేషణ ద్వారా సాఫ్ట్ విస్కోఎలాస్టిక్ జెల్స్ యొక్క యాంత్రిక లక్షణం. జె. మెచా. ప్రవర్తన. బయోమెడికల్ సైన్స్. అల్మా మేటర్. 2, 355–363 (2009).
ఆండ్రూస్ JW, బోవెన్ J మరియు చానెలర్ D. అనుకూల కొలత వ్యవస్థలను ఉపయోగించి విస్కోలాస్టిసిటీ నిర్ధారణ యొక్క ఆప్టిమైజేషన్. సాఫ్ట్ మేటర్ 9, 5581–5593 (2013).
బ్రిస్కో, బిజె, ఫియోరి, ఎల్. మరియు పెల్లిల్లో, ఇ. పాలిమెరిక్ ఉపరితలాల నానోఇండెంటేషన్. జె. ఫిజిక్స్. డి. భౌతిక శాస్త్రానికి దరఖాస్తు. 31, 2395 (1998).
మియాయిలోవిచ్ AS, సిన్ B., ఫార్చునాటో D. మరియు వాన్ వ్లియెట్ KJ షాక్ ఇండెంటేషన్ ఉపయోగించి అధిక సాగే పాలిమర్లు మరియు జీవ కణజాలాల విస్కోఎలాస్టిక్ యాంత్రిక లక్షణాల లక్షణం. బయోమెటీరియల్స్ జర్నల్. 71, 388–397 (2018).
పెరెపెల్కిన్ NV, కోవలేవ్ AE, గోర్బ్ SN, బోరోడిచ్ FM విస్తరించిన బోరోడిచ్-గాలనోవ్ (BG) పద్ధతి మరియు లోతైన ఇండెంటేషన్ ఉపయోగించి మృదువైన పదార్థాల సాగే మాడ్యులస్ మరియు సంశ్లేషణ పని యొక్క మూల్యాంకనం. బొచ్చు. అల్మా మేటర్. 129, 198–213 (2019).
షి, X. మరియు ఇతరులు. సిలికాన్ హైడ్రోజెల్ కాంటాక్ట్ లెన్స్‌ల బయోమిమెటిక్ పాలిమెరిక్ ఉపరితలాల నానోస్కేల్ పదనిర్మాణం మరియు యాంత్రిక లక్షణాలు. లాంగ్‌ముయిర్ 37, 13961–13967 (2021).