Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Carolina del Norte han demostrado un nuevo diseño para un instrumento, un "penetrador de nanoescala instrumentado, "que realiza mediciones sensibles de las propiedades mecánicas de películas delgadas, que van desde revestimientos de carrocería hasta dispositivos microelectrónicos, y biomateriales. El instrumento NIST utiliza una técnica única para medir con precisión la profundidad de la muesca en una superficie de prueba sin contacto con la superficie que no sea la propia punta de la sonda.

Los penetradores tienen una larga trayectoria en la investigación de materiales. Johan August Brinell ideó una de las primeras versiones en 1900. El concepto es dejar caer o golpear algo duro sobre el material de prueba y medir la dureza del material por la profundidad de la abolladura. Esto está bien para acero ferroviario, pero la tecnología moderna ha traído medidas más desafiantes:la rigidez de los sensores micromecánicos utilizados en las bolsas de aire de los automóviles, la dureza de los recubrimientos finos en las brocas de herramientas, la elasticidad de las membranas biológicas delgadas. Estos requieren mediciones precisas de profundidad en términos de nanómetros y fuerza en términos de micronewtons.

En lugar de abolladuras en el metal, dice Douglas Smith de NIST, "Estamos tratando de obtener la medición más precisa posible de hasta dónde penetra la punta del penetrador en la superficie de la muestra, y cuánta fuerza se necesitó para empujarlo tan lejos. Grabamos esto continuamente. Se llama 'prueba de sangría instrumentada' ".

Un gran desafío, Smith dice, es que a nanoescala es necesario saber exactamente dónde está la superficie de la muestra de prueba en relación con la punta del penetrador. Algunos instrumentos comerciales hacen esto tocando la superficie con una parte de referencia del instrumento que está a una distancia conocida de la punta, pero esto presenta problemas adicionales. "Por ejemplo, Si desea observar la fluencia en el polímero, que es una cosa en la que nuestro instrumento es particularmente bueno, ese punto de referencia en sí mismo se infiltrará en el polímero justo bajo su propia fuerza de contacto. Es un error que no conoce y no puede corregir. "dice Smith.

La solución NIST es un detector de superficie sin contacto que utiliza un par de diapasones de cuarzo diminutos, del tipo que se utiliza para medir el tiempo en la mayoría de los relojes de pulsera. Cuando los diapasones se acercan a la superficie de prueba, la influencia de la masa cercana cambia su frecuencia, no mucho, pero suficiente. El nanoindentador utiliza ese cambio de frecuencia para "bloquear" la posición del mecanismo de penetración a una distancia fija de la superficie de prueba. pero sin ejercer ninguna fuerza detectable sobre la propia superficie.

"La única interacción significativa que queremos es entre el indentador y el espécimen, "dice Smith, "o al menos, ser constante y no deformar la superficie. Esta es una mejora significativa con respecto a los instrumentos comerciales ".

El nanoindentador NIST puede aplicar fuerzas de hasta 150 milinewtons, tomando lecturas mil veces por segundo, con una incertidumbre inferior a 2 micronewtons, y mientras se mide la penetración de la punta hasta 10 micrómetros dentro de aproximadamente 0,4 nanómetros. Todo esto se hace de una manera que se puede calibrar de manera rastreable contra las unidades básicas del SI para fuerza y ​​desplazamiento de manera rutinaria.

El instrumento es adecuado para mediciones de dureza de alta precisión, elasticidad y fluencia y propiedades similares para una amplia gama de materiales, incluyendo materiales blandos a menudo difíciles de medir, como películas de polímero, dice Smith, pero uno de sus usos principales será el desarrollo de materiales de referencia que se puedan utilizar para calibrar otros indentadores instrumentados. "Todavía no existen materiales de referencia estándar del NIST para esta clase de instrumentos porque queríamos tener un instrumento que fuera mejor que los instrumentos comerciales para hacer eso, "Explica Smith.