Właściwości mechaniczne hydrożelu metodą nanoindentacji

Hydrożel słynie z wyjątkowej chłonności wody, dzięki której jego elastyczność jest bardzo zbliżona do tkanek naturalnych. To podobieństwo sprawiło, że hydrożel jest często wybierany nie tylko w biomateriałach, ale także w elektronice, ochronie środowiska i produktach konsumenckich, takich jak soczewki kontaktowe. Każde zastosowanie wymaga określonych właściwości mechanicznych hydrożelu.

Hydrożele stawiają przed nanoindentacją szczególne wyzwania, takie jak dobór parametrów badania i przygotowanie próbek. Wiele systemów do nanoindentacji ma poważne ograniczenia, ponieważ pierwotnie nie projektowano ich dla tak miękkich materiałów. Niektóre z nich przykładają siłę do próbki za pomocą zespołu cewka/magnes. Siła nie jest wtedy rzeczywiście mierzona, co prowadzi do niedokładnego i nieliniowego obciążania przy badaniu materiałów miękkich. Wyznaczenie punktu kontaktu jest niezwykle trudne, ponieważ jedynym faktycznie mierzonym parametrem jest głębokość. Zaobserwowanie zmiany nachylenia na wykresie głębokość–czas, gdy końcówka wgłębnika zbliża się do hydrożelu, jest niemal niemożliwe.

Aby pokonać ograniczenia tych systemów, moduł nano urządzenia do badań mechanicznych NANOVEA mierzy siłę osobnym czujnikiem siły, co zapewnia wysoką dokładność na wszystkich rodzajach materiałów, miękkich i twardych. Przemieszczenie sterowane piezoelementem jest niezwykle precyzyjne i szybkie. Pozwala to na niezrównany pomiar właściwości lepkosprężystych dzięki wyeliminowaniu wielu założeń teoretycznych, które muszą uwzględniać systemy z zespołem cewka/magnes bez pomiaru siły.

ℹ️ Dowiedz się więcej o usługach laboratoryjnych nanoindentacji materiałów miękkich i biologicznych.

Próbkę hydrożelu umieszczoną na szkiełku podstawowym zbadano metodą nanoindentacji urządzeniem do badań mechanicznych NANOVEA. Dla tego miękkiego materiału użyto kulistej końcówki o średnicy 3 mm. Obciążenie rosło liniowo od 0,06 do 10 mN w fazie obciążania. Następnie pełzanie zmierzono jako zmianę głębokości indentacji przy maksymalnym obciążeniu 10 mN przez 70 sekund.

Zmiany obciążenia i głębokości w funkcji czasu przedstawia rys. 1. Na wykresie głębokość–czas bardzo trudno wskazać punkt zmiany nachylenia na początku obciążania, który zwykle oznacza moment, w którym wgłębnik zaczyna stykać się z miękkim materiałem. Wykres obciążenie–czas pokazuje natomiast osobliwe zachowanie hydrożelu pod obciążeniem. Gdy hydrożel zaczyna stykać się z kulką wgłębnika, przyciąga ją wskutek napięcia powierzchniowego, które dąży do zmniejszenia powierzchni. To zachowanie powoduje ujemne mierzone obciążenie na początku etapu obciążania. Obciążenie stopniowo rośnie w miarę zagłębiania się wgłębnika w hydrożel, a następnie jest utrzymywane na stałym poziomie maksymalnym 10 mN przez 70 sekund w celu zbadania pełzania hydrożelu.

Wykres głębokości pełzania w funkcji czasu przedstawia rys. 2, a wykres obciążenie–przemieszczenie z badania nanoindentacji rys. 3. Hydrożel w tym badaniu ma twardość 16,9 kPa i moduł Younga 160,2 kPa, obliczone z krzywej obciążenie–przemieszczenie metodą Olivera-Pharra.

Pełzanie jest ważnym czynnikiem w badaniu właściwości mechanicznych hydrożelu. Sterowanie w pętli zamkniętej między piezoelementem a ultraczułym czujnikiem siły zapewnia rzeczywiście stałe obciążenie podczas pełzania przy obciążeniu maksymalnym. Jak pokazuje rys. 2, hydrożel osiada o ok. 42 µm wskutek pełzania w ciągu 70 sekund pod maksymalnym obciążeniem 10 mN przyłożonym kulką 3 mm.

W tym badaniu pokazaliśmy, że urządzenie do badań mechanicznych NANOVEA w trybie nanoindentacji zapewnia precyzyjny i powtarzalny pomiar właściwości mechanicznych hydrożelu, w tym twardości, modułu Younga i pełzania. Duża kulka 3 mm zapewnia właściwy kontakt z powierzchnią hydrożelu. Precyzyjny zmotoryzowany stolik pozwala dokładnie ustawić płaską powierzchnię próbki hydrożelu pod kulką. Hydrożel w tym badaniu ma twardość 16,9 kPa i moduł Younga 160,2 kPa. Głębokość pełzania wynosi ok. 42 µm pod obciążeniem 10 mN przez 70 sekund.

Urządzenia do badań mechanicznych NANOVEA oferują niezrównane wielofunkcyjne moduły nano i mikro na jednej platformie. Oba moduły obejmują tryby badania zarysowania, twardości i zużycia, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny w obsłudze zakres badań dostępny w jednym systemie.