Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université de Caroline du Nord ont démontré une nouvelle conception pour un instrument, un "pénétrateur nanométrique instrumenté, " qui effectue des mesures sensibles des propriétés mécaniques des films minces - allant des revêtements de carrosserie aux dispositifs microélectroniques - et des biomatériaux. L'instrument NIST utilise une technique unique pour mesurer avec précision la profondeur de l'indentation dans une surface d'essai sans contact avec la surface autre que la pointe de la sonde elle-même.

Les pénétrateurs ont une longue histoire dans la recherche sur les matériaux. Johan August Brinell a conçu l'une des premières versions en 1900. Le concept est de laisser tomber ou d'enfoncer quelque chose de dur sur le matériau d'essai et d'évaluer la dureté du matériau par la profondeur de la bosselure. C'est très bien pour l'acier ferroviaire, mais la technologie moderne a apporté des mesures plus difficiles :la rigidité des capteurs micromécaniques utilisés dans les airbags automobiles, la dureté des revêtements minces sur les mèches d'outils, l'élasticité des fines membranes biologiques. Celles-ci nécessitent des mesures précises de la profondeur en nanomètres et de la force en micronewtons.

Au lieu de bosses dans le métal, dit Douglas Smith du NIST, "Nous essayons d'obtenir la mesure la plus précise possible de la profondeur de pénétration de la pointe du pénétrateur dans la surface de l'échantillon, et combien de force il a fallu pour le pousser aussi loin. Nous enregistrons cela en continu. C'est ce qu'on appelle un "test d'indentation instrumenté".

Un défi majeur, Smith dit, est qu'à l'échelle nanométrique, vous devez savoir exactement où se trouve la surface de l'éprouvette par rapport à la pointe du pénétrateur. Certains instruments commerciaux le font en touchant la surface avec une partie de référence de l'instrument qui est à une distance connue de la pointe, mais cela introduit des problèmes supplémentaires. "Par exemple, si vous voulez examiner le fluage dans le polymère - ce qui est une chose pour laquelle notre instrument est particulièrement bon - ce point de référence lui-même va se glisser dans le polymère juste sous sa propre force de contact. C'est une erreur que vous ne connaissez pas et que vous ne pouvez corriger, " dit Smith.

La solution NIST est un détecteur de surface sans contact qui utilise une paire de minuscules diapasons à quartz, le genre utilisé pour garder l'heure dans la plupart des montres-bracelets. Lorsque les diapasons se rapprochent de la surface d'essai, l'influence de la masse voisine modifie leur fréquence - pas beaucoup, mais assez. Le nanoindenteur utilise ce décalage de fréquence pour "verrouiller" la position du mécanisme du pénétrateur à une distance fixe de la surface d'essai, mais sans exercer aucune force détectable sur la surface elle-même.

"La seule interaction significative que nous voulons est entre le pénétrateur et l'échantillon, " dit Smith, "ou au moins, être constant et ne pas déformer la surface. Il s'agit d'une amélioration significative par rapport aux instruments commerciaux."

Le nanoindenteur NIST peut appliquer des forces jusqu'à 150 millinewtons, faire des lectures mille fois par seconde, avec une incertitude inférieure à 2 micronewtons, et tout en mesurant la pénétration de la pointe jusqu'à 10 micromètres jusqu'à environ 0,4 nanomètre. Tout cela est fait d'une manière qui peut être calibrée de manière traçable par rapport aux unités SI de base pour la force et le déplacement de manière routinière.

L'instrument est bien adapté aux mesures de haute précision de la dureté, élasticité et fluage et propriétés similaires pour une large gamme de matériaux, y compris les matériaux mous souvent difficiles à mesurer tels que les films polymères, dit Smith, mais l'une de ses principales utilisations sera le développement de matériaux de référence pouvant être utilisés pour étalonner d'autres pénétrateurs instrumentés. "Il n'y a toujours pas de matériaux de référence standard NIST pour cette classe d'instruments parce que nous voulions avoir un instrument qui était meilleur que les instruments commerciaux pour le faire, ", explique Smith.