Perché c'è ancora bisogno dei nanoindenter per misurare le proprietà meccaniche di materiali su nanoscala?

Martedì 18 Novembre 2014

Le tecniche di scansione per determinare le proprietà meccaniche (soprattutto il modulo di elasticità) di nanomateriali e film sottili si sono sviluppate negli ultimi anni e sono ormai considerate lo stato dell'arte. La gran quantità di dati che queste tecniche sono in grado di produrre hanno creato molto interesse nella comunità mondiale degli scienziati che si occupano di nanotecnologie. Le tecniche di scansione sono per loro natura veloci e, nella maggior parte delle implementazioni disponibili sul mercato, integrate con le potenzialità dell'imaging AFM. In particolare si possono ottenere immagini delle proprietà del materiale della stessa qualità di quelle ottenute in AFM, con una impareggiabile risoluzione. Ma queste mappe realmente forniscono informazioni quantitative sulle proprietà meccaniche?

Le tecniche di scansione richiedono di fare delle premesse

È opinione condivisa che le tecniche di scansione allo stato dell'arte permettono di creare mappe di elasticità dei materiali, in modalità ben controllate, mappe in cui sia la sensibilità che l'accuratezza possono essere ottimizzate. Comunque, prendendo in considerazione la meccanica dei solidi, e in particolare di corpi continui, bisogna fare delle assunzioni, per poter derivare una mappa di modulo elastico da una mappa di elasticità. Le assunzioni sono le seguenti:

  1. Le superfici sono continue e non-conformi: del tutto liscie, completamente piatte
  2. le deformazioni sono piccole
  3. Ciascun corpo può essere considerato un semispazio elastico, cioè l'area di contatto è molto più piccola del raggio caratteristico del corpo
  4. Le superfici sono prive di attrito.

La prima condizione assume che il carico venga mantenuto costante con grande accuratezza, a valori molto bassi per un lungo periodo; la seconda condizione assume che la punta non si usuri; la terza che l'area ci contatto non debba cambiare in maniera significativa durante un ciclo armonico.

Pro e Contro

Da una parte, evitare che il materiale si trovi in uno stato di plasticità non è così semplice come può sembrare, considerando per esempio che il minimo raggio di curvatura della punta per mantenere un contatto completamente elastico, per esempio sul rame, con un carico controllato di soli 100 nN, dovrebbe essere inferiore a 10um (un raggio inferiore richiederebbe una forza controllato ancor più piccola per mantenere un contatto puramente elastico).

Dall'altra parte, la misurazione della durezza e della tensione di snervamento dei materiali, al contrario, richiede di raggiungere una completa plasticità (in altre parole una completa plasticità deve essere ottenuta per misurare la tensione di snervamento, per i materiali per cui questa cosa abbia un senso).

Buone notizie: indentatori più veloci sono disponibili sul mercato

Adesso le buone notizie: al giorno d'oggi sono presenti sul mercato nanoindenter più veloci, in grado di eseguire cicli di nanoindentazione alla velocita di cicli di uno o pochi secondi, quindi rendendo possibile la mappatura nanomeccanica del modulo elastico e di durezza.

Non esitate a contattarci per ottenere più informazioni o per richiedere una quotazione dei nostri nanoindenter, scrivendo a info@schaefer-tec.it oppure compilando il modulo di contatto.