除形貌测量外，纳米力学测量已成为原子力显微镜(AFM)最重要的测量手段之一。探针和样品之间的基本机械相互作用使得原子力显微镜可以测量样品的各种机械特性，而接触的大小使得测量可以定位在纳米尺度上。
粘弹性材料综述亚博网站下载
典型的纳米机械应用包括测量弹性模量、摩擦和粘附力。粘弹性材料亚博网站下载，包括聚合物和生物材料，具有弹性特性，表现出随时间变化的行为，如蠕变和应力松弛。亚博网站下载
粘弹性特性是存储模量、损耗模量和损耗正切(tan δ)。纳米尺度的粘弹性测量由于其对宏观材料的功能和行为的影响而特别有趣。
化学工业中相当重要的一部分致力于开发非均质材料，如聚合物复合材料、共混物和多层材料。亚博网站下载建立这些材料的结构性能关系通常依赖于体积粘弹性测量，特别是在材料力学性能的发展中。亚博网站下载
材料的研究与开发亚博网站下载
关于材料的研究和开发通常会生产出混合或复合材料，这些材料含有不存在于本亚博网站下载体中的纳米级成分域，或具有受其他成分(界面相)邻近影响的性能。因此，要优化这种非均质材料的属性，重要的是要充分表征不同组分的粘弹性特性。
为了在纳米尺度上测量这些性质，需要一种专门的工具来有效地开发下一代材料的结构-性质关系。亚博网站下载使用剪切或单轴载荷可以有效地测量材料的应力-变形关系，分别得到剪切模量(G)或拉伸模量(E)。亚博网站下载
粘弹性模
对于粘弹性材料，模量往往是复杂的，亚博网站下载既有实部也有虚部。实部(例如，拉伸储存模量，E’)是响应的弹性或同相元件，由(应力/应变)*cosδ给出，其中δ是应力和应变之间的移相。虚部(例如，拉伸损失模量，E”)说明了响应的粘性或反相部分，由(应力/应变)*sinδ给出。损耗模量与存储模量的比值为损耗正切(tan δ)。
随着频率和/或温度的变化，粘弹性模量会发生显著的变化。例如，在类橡胶聚合物中，存储模量通常在频率降低时具有较低的值。因此，随着频率的增加，存储模量急剧增加，在高频玻璃态的模量值趋于平稳。
对于相同的材料，无论是在低亚博网站下载频率还是高频率，损耗模量都是低的(主要是弹性的)，并且在频率中间出现峰值，反映了橡胶态和玻璃态之间存在玻璃化转变。
由于损耗正切正好是损耗模量与存储模量的比值(tan δ = E”/E’)，它遵循与损耗模量相似的轨迹。损耗正切的经验性质作为粘弹性参数既实用又有用，因为当作为温度或频率的函数测量时，它可以精确地揭示材料中的热和结构转变。
粘弹性材料中的温度和时间亚博网站下载
粘弹性材料中温度行为与时间(频率)行为之间的等价性来自于样品中分子的弛豫行为。亚博网站下载1这种关联是根据时间-温度叠加原理(TTS)建立的。
当模量在较高的温度下测量时，在一定的频率范围内进行测量，以及在较低的频率范围和较低的温度下进行测量时，可以得到可比曲线。
由于这些曲线通常具有相同的形状，它们可以相互叠加，在一个扩展的频率范围内生成一个“主曲线”。相比之下，提高温度相当于移到一个更低的频率，而降低温度相当于移到一个更高的频率。
在生成主曲线时，可以通过不同的模型(WLF或Arrhenius)分析漂移因子，将时间-温度关系参数化。通过这种方法，在一组温度和频率下观察到的数据适合于确定在不同温度和频率下的行为，这使得TTS和主曲线的生成非常有用。
动态力学谱
在散装，动态力学分析(DMA)，也也被称为动态力学谱（DMS),用来测量粘弹性特性。通过测量整个样品的响应作为振荡频率的函数，该测量将振荡应力应用于宏观样品。
根据样品的特性和几何形状，DMA可以在多种样品安装配置下进行，包括三点弯曲、压缩、拉伸和剪切。
动态力学拉伸分析(DMTA)提供了与AFM尖端和样品运动最直接的对比，因为它需要在张力中保持样品。
AFM成像
在此之前,粘弹性性质的AFM测量不太理想的原因有几个。前两个挑战涉及频率空间。使用DMA的流变学家通常工作在低于200Hz的频率下，而AFM成像模式已经进化到更快地生成图像，因此通常在更高的频率(千赫兹或更高)。
在基于共振的技术中，由悬臂尺寸决定的AFM测量频率是在特别高的频率上。虽然这些频率是离散的，但它们是不可调的，而且通常间隔很宽(例如，一个简单光束的第二个自由本征模是第一个自由本征模的6.3倍)。2 - 4
也许比频率失配更重要的是采用尖端潜入样品并迅速从样品上脱落的方法，使接触在尽可能短的时间内完成．这也有助于加快传统缓慢的AFM成像，并允许更多的样品和尖端友好的扫描。然而，由于针尖在每个周期中与样品进行接触和断开接触，针尖-样品的相互作用是非常非线性的，测量的频率包括许多标称工作频率的谐波，这些谐波是不明确的。5
最后的挑战是成功地设计一种AFM技术测量粘弹性特性该模型用于提取存储和损耗模量。这其中最棘手的部分涉及附着力的测量和补偿。
在聚合物原子力显微镜中，针尖与样品间的粘附力相对较大，且在非均相聚合物样品间的粘附力差异较大。因此，在许多基于共振的AFM模式中无法测量或观察粘附，这使得分析这个重要参数并最终对其进行补偿几乎是不可能的。
结论
可用于模拟抛物型AFM针尖粘结针尖-试样相互作用的主要接触力学模型是DerjaguinMuller-Toporov (DMT)和Johnson-Kendall-Roberts (JKR)。这些模型代表了两种可行粘接行为范围的极限，其中JKR模型反映了较强的粘接在针尖-样品接触区域内，而DMT模型反映了较弱的远程粘接(包括针尖-样品接触区域外)。6
不幸的是，既能提取存储模量又能提取损耗模量的模型可能会忽略附着力，不能被认为适用于某些AFM应用。7、8使用AFM-nDMA可以克服这些挑战。
参考文献
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