Forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of North Carolina har demonstrerat en ny design för ett instrument, en "instrumenterad nanoskala indenter, " som gör känsliga mätningar av de mekaniska egenskaperna hos tunna filmer – allt från autokroppsbeläggningar till mikroelektroniska enheter – och biomaterial. NIST-instrumentet använder en unik teknik för att exakt mäta djupet av intrycket i en testyta utan kontakt med ytan annat än själva sondspetsen.

Indragare har en lång historia inom materialforskning. Johan August Brinell utarbetade en av de första versionerna år 1900. Konceptet är att släppa eller ramla något hårt på testmaterialet och mäta materialets hårdhet efter bucklans djup. Detta är bra för järnvägsstål, men modern teknik har medfört mer utmanande mätningar:styvheten hos mikromekaniska sensorer som används i bilkrockkuddar, hårdheten hos tunna beläggningar på verktygsbitar, elasticiteten hos tunna biologiska membran. Dessa kräver precisionsmätningar av djup i termer av nanometer och kraft i termer av mikronewton.

Istället för bucklor i metall, säger NIST:s Douglas Smith, "Vi försöker få en så noggrann mätning som möjligt av hur långt intryckningsspetsen penetrerar in i provets yta, och hur mycket kraft det tog att trycka in det så långt. Vi registrerar detta kontinuerligt. Det kallas "instrumenterad indragningstestning".

En stor utmaning, Smith säger, är att du på nanoskala behöver veta exakt var ytan på testexemplaret är i förhållande till indenterns spets. Vissa kommersiella instrument gör detta genom att röra ytan med en referensdel av instrumentet som är ett känt avstånd från spetsen, men detta skapar ytterligare problem. "Till exempel, om du vill titta på krypning av polymer – vilket är en sak som vårt instrument är särskilt bra på – kommer den referenspunkten i sig att krypa in i polymeren precis under sin egen kontaktkraft. Det är ett fel som du inte känner till och inte kan korrigera för, säger Smith.

NIST-lösningen är en beröringsfri ytdetektor som använder ett par små kvartsstämgafflar - den sorten som används för att hålla tiden i de flesta armbandsur. När stämgafflarna kommer nära testytan, påverkan av den närliggande massan ändrar deras frekvens - inte mycket, men nog. Nanoindentern använder den frekvensförskjutningen för att "låsa" positionen för indentermekanismen på ett fast avstånd från testytan, men utan att utöva någon detekterbar kraft på själva ytan.

"Den enda betydande interaktion vi vill ha är mellan indentern och provet, säger Smith, "eller åtminstone, att vara konstant och inte deformera ytan. Detta är en betydande förbättring jämfört med de kommersiella instrumenten."

NIST nanoindenter kan applicera krafter upp till 150 millinewton, tar avläsningar tusen gånger i sekunden, med en osäkerhet lägre än 2 mikronewton, och medan spetspenetration mäts upp till 10 mikrometer till inom cirka 0,4 nanometer. Allt detta har gjorts på ett sätt som kan spårbart kalibreras mot grundläggande SI-enheter för kraft och förskjutning på ett rutinmässigt sätt.

Instrumentet är väl lämpat för högprecisionsmätningar av hårdhet, elasticitet och krypning och liknande egenskaper för ett brett spektrum av material, inklusive ofta svåra att mäta mjuka material som polymerfilmer, säger Smith, men en av dess primära användningsområden kommer att vara i utvecklingen av referensmaterial som kan användas för att kalibrera andra instrumenterade indenters. "Det finns fortfarande inga NIST-standardreferensmaterial för den här klassen av instrument eftersom vi ville ha ett instrument som var bättre än de kommersiella instrumenten för att göra det, " förklarar Smith.