p Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade da Carolina do Norte demonstraram um novo design para um instrumento, um "penetrador em nanoescala instrumentado, "que faz medições sensíveis das propriedades mecânicas de filmes finos - variando de revestimentos de carroceria a dispositivos microeletrônicos - e biomateriais. O instrumento NIST usa uma técnica exclusiva para medir com precisão a profundidade do recuo em uma superfície de teste sem contato com a superfície diferente da própria ponta da sonda. p Os Indenters têm uma longa história na pesquisa de materiais. Johan August Brinell idealizou uma das primeiras versões em 1900. O conceito é deixar cair ou bater com força algo no material de teste e avaliar a dureza do material pela profundidade da amolgadela. Isso é bom para aço ferroviário, mas a tecnologia moderna trouxe medidas mais desafiadoras:a rigidez dos sensores micromecânicos usados ​​em airbags automotivos, a dureza de revestimentos finos em brocas de ferramenta, a elasticidade das membranas biológicas finas. Isso requer medições precisas de profundidade em termos de nanômetros e força em termos de micronewtons.

p Em vez de amassados ​​no metal, diz Douglas Smith do NIST, "Estamos tentando obter a medição mais precisa possível de até que ponto a ponta do indentador penetra na superfície da amostra, e quanta força foi necessária para empurrá-lo tão longe. Registramos isso continuamente. É chamado de 'teste de indentação instrumentada'. "

p Um grande desafio, Smith diz, é que na nanoescala você precisa saber exatamente onde a superfície do corpo de prova está em relação à ponta do indentador. Alguns instrumentos comerciais fazem isso tocando a superfície com uma parte de referência do instrumento que está a uma distância conhecida da ponta, mas isso introduz problemas adicionais. "Por exemplo, se você quiser observar a fluência no polímero - que é uma coisa em que nosso instrumento é particularmente bom - o próprio ponto de referência vai se infiltrar no polímero sob sua própria força de contato. Esse é um erro que você não conhece e que não pode corrigir, "diz Smith.

p A solução do NIST é um detector de superfície sem toque que usa um par de minúsculos diapasões de quartzo - o tipo usado para marcar a hora na maioria dos relógios de pulso. Quando os diapasões chegam perto da superfície de teste, a influência da massa próxima muda sua frequência - não muito, mas o suficiente. O nanoindentador usa essa mudança de frequência para "travar" a posição do mecanismo do penetrador a uma distância fixa da superfície de teste, mas sem exercer qualquer força detectável na própria superfície.

p "A única interação significativa que queremos é entre o penetrador e o espécime, "diz Smith, "ou pelo menos, para ser constante e não deformar a superfície. Esta é uma melhoria significativa em relação aos instrumentos comerciais. "

p O nanoindentador NIST pode aplicar forças de até 150 millinewtons, fazendo leituras mil vezes por segundo, com uma incerteza inferior a 2 micronewtons, e ao medir a penetração da ponta de até 10 micrômetros a cerca de 0,4 nanômetros. Tudo isso é feito de uma maneira que pode ser calibrado de maneira rastreável em relação às unidades básicas do SI para força e deslocamento de maneira rotineira.

p O instrumento é adequado para medições de dureza de alta precisão, elasticidade e fluência e propriedades semelhantes para uma ampla gama de materiais, incluindo muitas vezes difíceis de medir materiais macios, como filmes de polímero, diz Smith, mas um de seus principais usos será no desenvolvimento de materiais de referência que podem ser usados ​​para calibrar outros indentadores instrumentados. "Ainda não há materiais de referência do padrão NIST para esta classe de instrumentos porque queríamos ter um instrumento que fosse melhor do que os instrumentos comerciais para fazer isso, "Smith explica.