MEMS para caracterización mecánica in situ se refiere a sistemas microelectromecánicos (MEMS) utilizados para medir las propiedades mecánicas (como el módulo de Young y la resistencia a la fractura ) de muestras a nanoescala como nanocables , nanobarras , bigotes, nanotubos y películas delgadas . Se distinguen de otros métodos de pruebas nanomecánicas porque los mecanismos de detección y actuación están integrados y/o cofabricados en el microsistema , proporcionando, en la mayoría de los casos, mayor sensibilidad y precisión.
Este nivel de integración y miniaturización permite realizar la caracterización mecánica in situ , es decir, ensayar mientras se observa la evolución de la muestra en instrumentos de gran aumento como microscopios ópticos , microscopios electrónicos de barrido (SEM), microscopios electrónicos de transmisión (TEM) y X- configuraciones de rayos. Además, las capacidades analíticas de estos instrumentos, como la espectroscopia y la difracción, se pueden utilizar para caracterizar aún más la muestra, proporcionando una imagen completa de la evolución de la muestra a medida que se carga y falla. Debido al desarrollo de tecnologías maduras de microfabricación de MEMS , el uso de estos microsistemas con fines de investigación ha aumentado en los últimos años.
La mayoría de los desarrollos actuales tienen como objetivo implementar pruebas mecánicas in situ junto con otro tipo de mediciones, como eléctricas o térmicas, y ampliar la gama de muestras analizadas al dominio biológico, analizando muestras como células y fibrillas de colágeno.
La caracterización mecánica típica a macroescala se realiza principalmente en condiciones de tracción uniaxial. A pesar de la existencia de otros métodos de caracterización mecánica como flexión en tres puntos, ensayo de dureza, etc., el ensayo de tracción uniaxial permite medir la medida mecánica más fundamental de la muestra, es decir, su curva tensión-deformación. A partir de esta curva, se pueden calcular propiedades importantes como el módulo de Young, el límite elástico y la resistencia a la fractura. También se pueden calcular otras propiedades como tenacidad y ductilidad.
A nanoescala, debido al tamaño reducido de la muestra y a las fuerzas y desplazamientos que se van a medir, las pruebas uniaxiales o cualquier prueba mecánica son un desafío. Como resultado, la mayoría de las pruebas se realizan en configuraciones distintas a las de tracción uniaxial, utilizando herramientas científicas a nanoescala disponibles, como el microscopio de fuerza atómica (AFM) para realizar una prueba de flexión de tres puntos, SEM y TEM para realizar pruebas de resonancia de flexión y nanoindentadores para realizar pruebas. pruebas de compresión. En los últimos años se ha descubierto que los resultados no son del todo inequívocos. Esto quedó ejemplificado por el hecho de que diferentes investigadores obtuvieron diferentes valores de la misma propiedad para el mismo material. [1] Esto impulsó el desarrollo de MEMS con la capacidad de realizar pruebas de tracción en elementos individuales a nanoescala.
El interés por las pruebas nanomecánicas surgió inicialmente por la necesidad de caracterizar los materiales que se utilizaban en la fabricación de MEMS. William N. Sharpe de la Universidad Johns Hopkins llevó a cabo un trabajo pionero en la prueba de muestras a microescala de silicio policristalino. [2] Algunos de los desarrollos iniciales consistieron principalmente en versiones miniaturizadas de máquinas de prueba universales , que fueron fabricadas mediante técnicas de mecanizado estándar. Sin embargo, se proporcionaron importantes contribuciones y conocimientos sobre los mecanismos de agarre de muestras y la mecánica de materiales a escala micrométrica. Asimismo, Horacio D. Espinosa de la Universidad Northwestern desarrolló un experimento de deflexión de membrana, [3] que se empleó a nivel MEMS [4] así como en muestras de películas delgadas. El último reveló la primera evidencia experimental de plasticidad a escala de tamaño en películas metálicas delgadas e independientes . [5] Posteriormente, se realizaron estudios del efecto del tamaño en pilares monocristalinos mediante nanoindentación de muestras microfabricadas mediante un haz de iones enfocado. [1]
Más tarde, a Taher Saif de la Universidad de Illinois-Urbana Champaign se le puede atribuir el mérito de desarrollar escenarios microfabricados. [6] Su grupo demostró varios resultados in situ SEM y TEM para películas delgadas [7], incluida una etapa para pruebas eléctricas y mecánicas simultáneas, aunque esta configuración utilizaba actuación y detección externas. [8] Horacio D. Espinosa y su grupo de la Universidad Northwestern lograron un gran avance en la integración electrónica MEMS. Diseñaron y desarrollaron un verdadero sistema MEM que incorporaba detección capacitiva para la medición electrónica de la carga y actuación térmica para la deformación de la muestra en un solo chip. [9] El sistema podría funcionar dentro de un microscopio electrónico de transmisión. La plataforma basada en MEMS se aplicó al estudio de muestras de polisilicio, [10] CNT de paredes múltiples [11] y, más recientemente, nanocables metálicos [10] y semiconductores. [12] [13] En particular, con este dispositivo se midió experimentalmente por primera vez la resistencia teórica de los nanotubos de carbono. [11]
Tras estos trabajos pioneros, otros grupos de investigación han seguido desarrollando sus propios MEMS para ensayos mecánicos. Ejemplos importantes incluyen el grupo deBoer de Sandia National Labs, que se especializa en pruebas de muestras de polisilicio. [14] En la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), el grupo de Michler desarrolló un dispositivo accionado electrostáticamente, similar al diseño original de Espinosa, con tecnología de silicio sobre aislante. [15] Estos dispositivos tienen la ventaja de una relación de aspecto más alta y, por lo tanto, una mayor sensibilidad en las estructuras de detección. Otros investigadores han desarrollado otros dispositivos siguiendo los modelos trazados por Espinosa, Saif y Haque; por ejemplo Victor Bright de la Universidad de Colorado – Boulder. [16] La tecnología ha alcanzado un nivel de madurez tal que ahora el Centro de Nanotecnologías Integradas (CINT) de Sandia National Labs ofrece dispositivos estándar a investigadores interesados en pruebas mecánicas de muestras a nanoescala. [17]
Varios métodos de caracterización nanomecánica han arrojado muchos resultados sobre las propiedades de la materia a nanoescala. Lo que se ha descubierto consistentemente es que las propiedades mecánicas de los materiales cambian en función del tamaño. En los metales, el módulo elástico, el límite elástico y la resistencia a la fractura aumentan, mientras que en los materiales semiconductores frágiles se observan incrementos o reducciones dependiendo del material. [1]
El descubrimiento de que las propiedades mecánicas dependen intrínsecamente del tamaño ha estimulado el interés teórico y experimental en la dependencia del tamaño de otras propiedades materiales, como las térmicas y eléctricas; y también efectos acoplados como el comportamiento electromecánico o termomecánico. Se ha centrado especial interés en caracterizar propiedades electromecánicas como la piezoresistividad y la piezoelectricidad. La mayor parte del enfoque actual en el desarrollo de MEMS para pruebas in situ se encuentra en esta área con ejemplos de Haque, Espinosa y Zhang. [18]
Por otro lado, dado que MEMS ha demostrado ser una tecnología viable para caracterizar propiedades mecánicas a nanoescala, se ha buscado la aplicación de la tecnología a otro tipo de problemas. En particular, los sistemas biológicos despiertan interés porque la comprensión de la mecánica de los sistemas biológicos encuentra aplicación en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades y en la ingeniería de nuevos materiales. Las escalas de tamaño en las pruebas biológicas están en el rango de las micras, con estructuras que suelen ser muy dóciles. Esto requiere el desarrollo de dispositivos con altas capacidades de desplazamiento y resolución de fuerza muy alta. Ejemplos recientes son la caracterización por tracción de fibrillas de colágeno [19] [20] y haces de ADN. [21]
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