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不用硬碰硬 也能隔空測硬度

法國科學家研發出一種毋需接觸材料就能測量其硬度的新技術。此新穎方法是利用微量流體流經材料表面,所以不具侵入性,亦不會對材料造成破壞,因此可望用來以奈米級的精確度分析薄膜或脆弱物體(如氣泡與生物細胞)的彈性。

測量硬度最簡單的方法就是利用各種不同硬度的物體去觸碰待測物。問題在於,較硬的探測物體可能會在測量時傷及待測物,尤其對於嬌弱的待測物如生物細胞等。因此,科學家們亟欲發展一套較不具破壞性的測量方法。

圖片來源:physicsworld.com

上述新測量技術是由里昂的凝態物理與奈米結構實驗室(Laboratoire de Physique de la Matiere Condensee et des Nanostructures)的 Samuel Leroy 團隊以及巴黎固態物理實驗室(Laboratoire de Physique des Solides)的 Frederic Restagno 等人所共同研發。他們最初計畫對物體噴發氣流並測量造成的形變來計算物體的硬度,然而因氣流會形成難以控制的渦流,不得不放棄。

後來,他們想到可以利用比氣流容易控制的液體奈流(nanoflow of fluid)。為了進行測量,研究人員須在待測物與探針之間製造非常微弱且極為稀薄的液流。其中一個實驗是以厚僅數百奈米的橡膠薄膜作為待測物體,薄膜被置於一堅硬玻璃支撐物上,並沉浸於甘油水溶液中。微液流技術是由 Leroy 團隊在 2000 年所發明。探針裝置則由毫米級的派熱克斯(Pyrex)玻璃球連結至一橫桿所構成,能以高精準度振動。此細微移動是由一壓電陶瓷系統所產生,玻璃球的位移可控制至 0.01 nm。研究人員表示,這些液體奈流便是由此微小玻璃珠所產生。

當玻璃球非常靠近待測材料時(約距1 μm),它會將液體推向物體,因此在材料表面上產生非常微弱的壓力。如果材料具有彈性,壓力會造成形變;如果材料屬完全剛體,則不會有形變產生。任何形變的發生都會影響玻璃球的運動並改變其振動方式,而此變化則可進一步用來計算待測薄膜的彈性。

研究人員希望可以將此新方法與一些已建立的技術結合,如膠體探針原子力顯微鏡(colloidal-probe atomic force microscopy),以期能測量更多其他材料的硬度。詳見 Phys. Rev. Lett. Vol.108 264501。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:No-touch technique to measure softness—physicsworld.com [2012-07-06]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-08-02]

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