I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università della Carolina del Nord hanno dimostrato un nuovo design per uno strumento, un "penetratore nanoscala strumentato, " che effettua misurazioni sensibili delle proprietà meccaniche di film sottili, che vanno dai rivestimenti delle carrozzerie ai dispositivi microelettronici, e dei biomateriali. Lo strumento NIST utilizza una tecnica unica per misurare con precisione la profondità della rientranza in una superficie di prova senza contatto con la superficie diverso dalla punta della sonda stessa.

I penetratori hanno una lunga storia nella ricerca sui materiali. Johan August Brinell ha ideato una delle prime versioni nel 1900. Il concetto è di far cadere o piantare qualcosa di duro sul materiale di prova e misurare la durezza del materiale in base alla profondità dell'ammaccatura. Questo va bene per l'acciaio ferroviario, ma la tecnologia moderna ha portato a misurazioni più impegnative:la rigidità dei sensori micromeccanici utilizzati negli airbag per auto, la durezza dei rivestimenti sottili sulle punte degli utensili, l'elasticità delle membrane biologiche sottili. Questi richiedono misurazioni precise della profondità in termini di nanometri e forza in termini di micronewton.

Invece di ammaccature nel metallo, dice Douglas Smith del NIST, "Stiamo cercando di ottenere la misurazione più accurata possibile di quanto la punta del penetratore penetra nella superficie del campione, e quanta forza ci è voluta per spingerlo fino a quel punto. Lo registriamo continuamente. Si chiama "test di indentazione strumentale"."

Una grande sfida, Smith dice, è che su scala nanometrica è necessario sapere esattamente dove si trova la superficie del provino rispetto alla punta del penetratore. Alcuni strumenti commerciali lo fanno toccando la superficie con una parte di riferimento dello strumento a una distanza nota dalla punta, ma questo introduce ulteriori problemi. "Per esempio, se vuoi osservare lo scorrimento nel polimero, che è una cosa in cui il nostro strumento è particolarmente bravo, quel punto di riferimento stesso si insinuerà nel polimero proprio sotto la sua stessa forza di contatto. Questo è un errore che non conosci e che non puoi correggere, "dice Smith.

La soluzione NIST è un rilevatore di superficie senza contatto che utilizza un paio di minuscoli diapason al quarzo, del tipo utilizzato per tenere il tempo nella maggior parte degli orologi da polso. Quando i diapason si avvicinano alla superficie di prova, l'influenza della massa vicina cambia la loro frequenza, non molto, ma abbastanza. Il nanoindentatore utilizza tale spostamento di frequenza per "bloccare" la posizione del meccanismo del penetratore a una distanza fissa dalla superficie di prova, ma senza esercitare alcuna forza rilevabile sulla superficie stessa.

"L'unica interazione significativa che vogliamo è tra il penetratore e il campione, "dice Smith, "o quantomeno, essere costante e non deformare la superficie. Si tratta di un miglioramento significativo rispetto agli strumenti commerciali".

Il nanoindentatore NIST può applicare forze fino a 150 millinewton, prendendo letture mille volte al secondo, con un'incertezza inferiore a 2 micronewton, e durante la misurazione della penetrazione della punta fino a 10 micrometri entro circa 0,4 nanometri. Tutto questo è stato fatto in un modo che può essere calibrato in modo tracciabile rispetto alle unità SI di base per forza e spostamento in modo sistematico.

Lo strumento è particolarmente adatto per misurazioni ad alta precisione di durezza, elasticità e creep e proprietà simili per un'ampia gamma di materiali, compresi materiali morbidi spesso difficili da misurare come film polimerici, dice Smith, ma uno dei suoi usi principali sarà nello sviluppo di materiali di riferimento che possono essere utilizzati per calibrare altri penetratori strumentati. "Non ci sono ancora materiali di riferimento standard del NIST per questa classe di strumenti perché volevamo avere uno strumento che fosse migliore degli strumenti commerciali per farlo, "Spiega Smith.