王曉萌，高 揚(yáng),2

（1.浙江大學(xué)航空航天學(xué)院, 交叉力學(xué)中心, 浙江 杭州 310027；2.浙江省軟體機(jī)器人與智能器件研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310027）

壓痕（indentation）技術(shù)是用于表征材料力學(xué)性質(zhì)的基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一。該技術(shù)通過精確控制特定形狀的壓頭壓入樣品表面，記錄加/卸載過程中的載荷-壓痕深度曲線，可獲取彈性模量、硬度、斷裂韌性等力學(xué)參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于薄膜、涂層等材料的機(jī)械性能表征。目前，商業(yè)納米壓痕儀的壓入深度分辨率可達(dá)納米量級，然而其橫向分辨率依然十分有限，并且無法在壓痕實(shí)驗(yàn)中原位表征樣品的表面形貌變化，因此，要求樣品具有宏觀的橫向尺寸，無法應(yīng)用于諸如低維材料、細(xì)胞等微尺寸樣品。原子力顯微鏡（atomic force microscopy，АFM）具有亞納米級空間分辨率，在縱向上能對樣品進(jìn)行高精度壓痕實(shí)驗(yàn)，在橫向上可對樣品進(jìn)行原子級分辨率的原位表面形貌成像。因此，相較于納米壓痕儀，基于АFM 的壓痕技術(shù)具有更高的靈敏度和空間分辨率，被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、納米科學(xué)、生物力學(xué)等研究領(lǐng)域。

目前，已報(bào)道的基于АFM 壓痕技術(shù)的應(yīng)用對象涵蓋了生物細(xì)胞等軟材料、二維材料等低維材料以及二維金剛石等新型超硬半導(dǎo)體材料等。一般來說，樣品的彈性模量（E）與施加的壓痕深度（dind）呈一定的負(fù)相關(guān)，如圖1 所示。對于細(xì)胞/組織、高分子聚合物等彈性模量在千帕到兆帕之間的軟材料，壓痕深度一般在微米量級；對于二維材料、納米線、納米薄膜等彈性模量在吉帕量級的納米材料，壓痕深度一般在幾十到幾百納米之間。特別地，對于二維材料層間耦合表征、二維金剛石力學(xué)性能表征等特殊測試需求，壓痕深度甚至需要控制在埃（?）量級。根據(jù)測試對象和壓痕深度的不同，基于АFM 壓痕技術(shù)的測量模式與相關(guān)力學(xué)理論均有所區(qū)別。本文首先簡要介紹АFM 和壓痕技術(shù)的基本測試模式和工作原理；其次，介紹懸空納米壓痕技術(shù)（suspended nanoindentation）、埃壓痕技術(shù)（?-indentation）及其在二維材料等低維材料力學(xué)性質(zhì)研究中的應(yīng)用，其中埃壓痕技術(shù)可以施加埃量級的壓痕深度，以表征和調(diào)控二維材料的層間耦合作用；考慮到АFM 的探針半徑一般在10～100 nm 之間，樣品在壓痕實(shí)驗(yàn)中受到的局域壓強(qiáng)可達(dá)10 GPa，是一種探索材料高壓相變的新型實(shí)驗(yàn)手段，因而簡要回顧基于АFM 壓痕技術(shù)的二維材料高壓相變的最新研究進(jìn)展；然后，結(jié)合實(shí)例介紹基于АFM 的壓痕技術(shù)在生物細(xì)胞/組織等軟材料力學(xué)研究中的應(yīng)用；最后，根據(jù)當(dāng)前的研究和思考，對基于АFM 的壓痕技術(shù)在未來的發(fā)展和應(yīng)用提出了一些可能的方向和建議。

圖1 基于АFM 的壓痕技術(shù)的應(yīng)用Fig.1 Аpplications of indentation techniques based on АFM

1 AFM 和壓痕技術(shù)的基本工作原理

АFM 技術(shù)是一種通過探針與樣品之間的相互作用力來獲得樣品表面形貌信息的高分辨掃描探針技術(shù)（scanning probe microscopy，SPM）[1]。АFM 的基本結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，通過壓電陶瓷控制細(xì)小而尖銳的探針對樣品表面進(jìn)行掃描，探針的懸臂梁因樣品形貌起伏發(fā)生彎曲從而產(chǎn)生微小撓度，同時(shí)激光光源發(fā)出的光束經(jīng)懸臂梁反射到激光探測器上，利用光路放大懸臂梁撓度，從而得到樣品表面形貌的微小起伏信息。探針的結(jié)構(gòu)如圖2(b)[2]所示，探針懸臂梁的長度一般在100～200 μm，懸臂梁的末端有一個(gè)微米量級的錐形針尖，針尖尖端的曲率半徑通常在10～100 nm，以提供納米量級的空間分辨率。АFM 有接觸模式和輕敲模式兩種典型的工作模式。在接觸模式下，探針與樣品表面緊密接觸并有規(guī)律地移動，樣品表面的高低起伏導(dǎo)致懸臂梁的彎曲程度發(fā)生變化，進(jìn)而引起激光探測器上的光斑位置發(fā)生變化，控制器的反饋系統(tǒng)調(diào)整壓電陶瓷的形變來控制探針與樣品之間的相對位置，由此得到樣品表面的高分辨形貌圖像。在輕敲模式下，壓電陶瓷驅(qū)動懸臂梁在其共振頻率附近做受迫振動，從而帶動針尖間斷地與樣品接觸，針尖與樣品接觸與否影響懸臂梁的振幅大小，反饋系統(tǒng)控制懸臂梁振幅恒定，探針將跟隨樣品的形貌起伏而上下移動，以此獲得樣品的形貌信息。在基于АFM 的壓痕實(shí)驗(yàn)中，一般在接觸模式下獲取載荷-位移曲線，在輕敲模式下獲取表面形貌信息。

圖2 АFM 和壓痕技術(shù)Fig.2 АFM and indentation techniques

壓痕技術(shù)的核心原理是通過壓頭壓入樣品表面，獲取樣品的形變與載荷之間的關(guān)系，即載荷-形變曲線，據(jù)此得到樣品的力學(xué)性質(zhì)。在基于傳統(tǒng)納米壓痕儀的實(shí)驗(yàn)中，載荷-位移曲線和載荷-形變曲線基本是等價(jià)的，即壓頭位移、壓痕深度和樣品形變基本相同。圖2(c)展示了納米壓痕的載荷-位移曲線，其中：pm為壓頭施加的最大壓力，hm為最大壓痕深度，hr為卸載后的殘留壓痕深度，We和Wp分別為實(shí)驗(yàn)過程中彈性形變和塑性形變所需的功。然而，在基于АFM 的壓痕實(shí)驗(yàn)中，獲取的是不同載荷下掃描器（壓電陶瓷）在垂直樣品表面方向的形變，即АFM 探針的位移，因此原始數(shù)據(jù)是載荷-位移曲線，如圖2(d)所示。而探針的位移由懸臂梁的彎曲形變、針尖的壓縮形變、樣品的形變3 部分組成。如果樣品比較軟，如細(xì)胞，樣品的形變遠(yuǎn)大于懸臂梁和針尖的形變，則載荷-形變曲線可近似為載荷-位移曲線。如果樣品比較硬，如碳化硅等陶瓷材料，懸臂梁的形變遠(yuǎn)大于針尖和樣品的形變，則需要將載荷-位移曲線中的位移減去懸臂梁的形變，以獲取載荷-形變曲線。此外，在懸空納米壓痕實(shí)驗(yàn)中，針尖的形變可忽略不計(jì)，探針的位移近似等于懸空薄膜中心的撓度與懸臂梁的形變之和。以下將根據(jù)應(yīng)用對象的不同，對各類壓痕技術(shù)分別展開討論。

2 懸空納米壓痕和埃壓痕技術(shù)

圖3 為石墨、六方氮化硼（h-BN）、金屬有機(jī)骨架化合物（metal organic framework，MOFs）、過渡金屬二硫族化物（transition metal dichalcogenides，TMDs）、石墨相氮化碳（g-C3N4）、碳氮化物（MXenes）等常見二維材料以及由二維材料堆疊起來的范德華異質(zhì)結(jié)示意圖?；讧M 的懸空納米壓痕技術(shù)的最大特點(diǎn)是測試對象一般是被懸空放置于溝槽或孔洞上的納米薄膜或納米線，可對樣品施加較大的彎曲應(yīng)變或拉伸應(yīng)變，被廣泛應(yīng)用于二維材料等新型納米材料的彈性模量、斷裂強(qiáng)度、彎曲剛度等力學(xué)性質(zhì)研究[3–11]。近年來，在納米壓痕技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的基于АFM 的埃壓痕技術(shù)可用于表征和調(diào)控二維材料的層間耦合強(qiáng)度。埃壓痕技術(shù)將壓痕形變進(jìn)一步降低至1 nm 以下，接近甚至小于二維材料的層間距，可精確表征離面方向（out-of-plane）的層間彈性模量。此外，埃壓痕技術(shù)還可用于施加局域高壓，調(diào)控二維材料的層間耦合強(qiáng)度，驅(qū)動層間形成共價(jià)鍵，實(shí)現(xiàn)高壓誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相變。以下將介紹懸空納米壓痕和埃壓痕技術(shù)的原理，并簡要回顧其在二維材料、納米薄膜、納米線等低維材料體系的力學(xué)性質(zhì)研究中的應(yīng)用。

圖3 二維材料示意圖[12–13]Fig.3 Schematic of 2D materials[12–13]

2.1 基于懸空納米壓痕技術(shù)的二維材料面內(nèi)力學(xué)性質(zhì)研究

石墨烯等二維材料是具有原子厚度的層狀結(jié)構(gòu)材料[14–17]，具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)[3,18–23]，在信息技術(shù)、能源存儲、光催化等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[24–27]。二維材料通過層間范德華作用可堆疊形成莫爾超晶格，近年來，在理論和實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)其具有的包括莫特絕緣態(tài)、非常規(guī)超導(dǎo)、廣義維格納晶體、非平庸拓?fù)鋺B(tài)、莫爾激子等在內(nèi)的多種新奇物態(tài)[28–34]。

二維材料中的原子在層內(nèi)通過共價(jià)鍵結(jié)合，層間通過范德華力耦合，因而二維材料具有高度的各向異性。為了測量二維材料層內(nèi)共價(jià)鍵對應(yīng)的面內(nèi)彈性模量，與傳統(tǒng)納米壓痕實(shí)驗(yàn)不同，二維材料一般被放置在帶有溝槽或孔洞的基底上，構(gòu)造出兩端固支的“梁”模型或者周邊固支的“鼓”模型。通過探針在垂直方向上對二維材料施加大撓度，從而間接實(shí)現(xiàn)二維材料的面內(nèi)拉伸應(yīng)變[35]，如圖4(a)所示，其中r為圓孔半徑。Frank 等[36]首次利用基于АFM 的納米壓痕技術(shù)測量了懸空基底上的石墨烯的力學(xué)性質(zhì)。他們將若干層石墨烯放置在1 μm 寬的溝槽上，制備出兩端固支的“梁”模型，通過探針對溝槽中間位置的石墨烯施加壓力，測得石墨烯的面內(nèi)彈性模量為0.5 TPa，低于理論預(yù)測值[37–39]。在此基礎(chǔ)上，Lee 等[3]對懸空基底進(jìn)行改進(jìn)，將單層石墨烯放置在圓形孔洞上，構(gòu)造出周邊固支的“鼓”模型，利用探針對石墨烯薄膜的中心施加載荷，使石墨烯受到更均勻的雙軸拉伸應(yīng)變。此方法得到的石墨烯的面內(nèi)彈性模量約為1 TPa，斷裂強(qiáng)度約為130 GPa，與理論預(yù)測值相符，如圖4(b)所示。此后，基于АFM 的懸空納米壓痕實(shí)驗(yàn)大都基于“鼓”模型。

圖4 懸空二維材料的納米壓痕實(shí)驗(yàn)[3,46,48]Fig.4 Nanoindentation experiment of suspended two-dimensional materials[3,46,48]

制備成“鼓”模型的二維材料的懸空納米壓痕實(shí)驗(yàn)中，可以將整個(gè)體系的受力簡化為邊緣固定的圓形彈性薄膜中心受力問題。由于二維材料具有原子級別的厚度[40]，因此其彎曲剛度可以忽略不計(jì)[3]。根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，在考慮預(yù)應(yīng)力的情況下，載荷與二維薄膜中心撓度之間的關(guān)系可以表示為[41–42]

式中：F為對二維材料中心施加的載荷；δ 為二維材料的撓度；和E2D分別為二維材料的二維預(yù)應(yīng)力和二維彈性模量；q為無量綱常數(shù)，與材料的泊松比ν 有關(guān)，q= 1/(1.05–0.15ν–0.16ν2)。根據(jù)式(1)，對納米壓痕實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到二維預(yù)應(yīng)力和二維彈性模量，將二維彈性模量除以二維薄膜厚度即可得到彈性模量。設(shè)Rprobe為探針針尖的曲率半徑，如果探針針尖將二維材料壓至破裂，設(shè)此時(shí)的壓力為Fm，根據(jù)

Bertolazzi 等[43]和Castellanos-Gomez 等[44]利用懸空納米壓痕方法測量了MoS2的面內(nèi)力學(xué)性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，單層MoS2的面內(nèi)剛度約為180 N/m，彈性模量約為270 GPa，在6%～11%的有效應(yīng)變下，平均二維斷裂強(qiáng)度約為(15±3) N/m。此外，利用懸空納米壓痕技術(shù)得到的六方氮化硼（h-BN）的面內(nèi)彈性模量達(dá)到0.9 TPa[45]。國內(nèi)外多個(gè)課題組也基于同樣的方法得到了黑磷、MXene 等其他多種二維材料的面內(nèi)力學(xué)性質(zhì)[3,46–56]，部分結(jié)果總結(jié)于表1。最近，懸空納米壓痕技術(shù)也被用于研究轉(zhuǎn)角二維材料的力學(xué)行為，Sun 等[48]的納米壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分子動力學(xué)模擬結(jié)果均表明，轉(zhuǎn)角雙層MoS2的面內(nèi)彈性模量和層間切應(yīng)力（τ）與扭轉(zhuǎn)角無關(guān)，如圖4(c)所示（τaverage為平均層間切應(yīng)力）。

表1 基于懸空納米壓痕技術(shù)獲得的部分常見二維材料的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of some typical 2D materials by suspended nanoindentation

2.2 基于懸空納米壓痕技術(shù)的其他低維材料的力學(xué)性質(zhì)研究

懸空納米壓痕技術(shù)也被用于納米薄膜和納米線的力學(xué)性質(zhì)研究[9–11,57–58]。Yang 等[9,11]通過聚合物表面屈曲剝離法（polymer surface buckling enabled exfoliation）制備了厚度為10～100 nm 的納米金薄膜和納米鈦薄膜，利用懸空納米壓痕技術(shù)對其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征，結(jié)果見圖5，其中：E為彈性模量，σy為屈服強(qiáng)度，F(xiàn)EM 表示有限元法。該納米金和納米鈦薄膜的橫向尺寸達(dá)到毫米量級，且有較高的強(qiáng)度和一定的延展性。Kim 等[58]利用АFM 對直徑為15～70 nm 的硅納米線進(jìn)行納米壓痕和納米彎曲表征，發(fā)現(xiàn)其彈性模量約為185 GPa，基本與直徑無關(guān)，而其強(qiáng)度則隨直徑的減小從2 GPa 顯著增大至10 GPa。

圖5 懸空金屬薄膜的納米壓痕實(shí)驗(yàn)[11]Fig.5 Nanoindentation experiment of suspended metal nanosheets[11]

2.3 埃壓痕技術(shù)及其應(yīng)用

2.3.1 埃壓痕技術(shù)原理

圖6(c)和圖6(d)分別為利用埃壓痕技術(shù)得到的金剛石的Ktot和Kcont隨壓力變化的曲線，其中Fz為埃壓痕實(shí)驗(yàn)中探針施加的壓力。根據(jù)彈簧串聯(lián)模型，壓電陶瓷的振動ΔZpiezo等于懸臂梁彎曲振動ΔZlev和針尖與樣品接觸處的振動ΔZindent之和

圖6 埃壓痕實(shí)驗(yàn)裝置、彈性力學(xué)模型以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果[59]Fig.6 ?-indentation experimental set-up, elastic mechanics model and experimental results[59]

結(jié)合式(3)～式(5)，可以得到

對式(6)等號兩邊分別積分，即可得到樣品的載荷-形變曲線，如圖6(e)所示。該方法實(shí)現(xiàn)的壓痕形變甚至可達(dá)1 ?以下。

2.3.2 二維材料的層間耦合強(qiáng)度表征

Gao 等[60]利用埃壓痕技術(shù)，首次直接測量了碳化硅上生長的少層外延石墨烯的層間彈性模量，約為33 GPa，接近理論值[62]。氧化石墨烯具有豐富的含氧官能團(tuán)，可以用于制備各種具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料。氧化石墨烯與制備過程中引入的層間插層水分子之間的相互作用十分復(fù)雜[63–64]。Gao 等[60]通過埃壓痕技術(shù)系統(tǒng)研究了層間插層水分子對氧化石墨烯層間彈性模量的影響，并結(jié)合密度泛函理論（density functional theory，DFT）計(jì)算支撐了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖7(a)顯示了不同環(huán)境濕度下基于埃壓痕技術(shù)測量得到的氧化石墨烯的載荷-形變曲線。隨著環(huán)境濕度的增加，氧化石墨烯的層間彈性模量E⊥增大，在相對濕度（relative humidity，RH）為25%時(shí)達(dá)到最大值35 GPa，隨后下降，在相對濕度為50%左右時(shí)，層間彈性模量下降到20 GPa，與10%相對濕度條件下的層間彈性模量相當(dāng)。圖7(b)和圖7(c)展示了E⊥隨RH 以及插層水百分比（DFT 模型中插層水分子數(shù)量與氧化石墨烯碳原子數(shù)量之比）的變化?？梢钥闯觯瑢?shí)驗(yàn)結(jié)果與DFT 計(jì)算結(jié)果具有高度一致性。進(jìn)一步分析可知：當(dāng)濕度較低時(shí)，水分子插層到氧化石墨烯中，增大了氧化石墨烯的層間距，降低了層間彈性模量；隨著濕度的增加，氧化石墨烯層間逐漸被水分子填滿，并且插層水分子之間形成一層氫鍵網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的層間范德華力，在此過程中，層間距未發(fā)生較大改變，這也是氧化石墨烯層間彈性模量增加的原因；隨著濕度的進(jìn)一步增大，氧化石墨烯層間開始出現(xiàn)第2 層層間插層水分子，層間距進(jìn)一步擴(kuò)大，且水分子具有一定的流動性，膨脹并軟化了氧化石墨烯，造成層間彈性模量的降低。

圖7 氧化石墨烯的層間力學(xué)性質(zhì)[60]Fig.7 Interlayer elasticity of graphene oxide[60]

3 二維材料的高壓相變

АFM 探針的半徑一般在10～100 nm 之間，因此探針與樣品接觸時(shí)無需太大的壓力便可產(chǎn)生約10 GPa 的壓強(qiáng)。在對樣品施加高壓的同時(shí)，АFM 亦可對樣品進(jìn)行高分辨率成像和原位測試，采集樣品的形貌、摩擦、力學(xué)性能等信息，為可能發(fā)生的高壓相變提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)，是除傳統(tǒng)的金剛石對頂砧（diamond anvil cell，DАC）等手段以外的一種新型高壓相變實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)。下面將對近年來利用АFM研究二維材料高壓相變的工作進(jìn)行簡單回顧。

自石墨烯問世以來，研究人員一直探索如何利用少層石墨烯制備納米級厚度的超薄二維金剛石，目前理論和實(shí)驗(yàn)上普遍采用氫化或氟化等化學(xué)方式進(jìn)行相變誘導(dǎo)[65–68]。塊體石墨在高壓高溫條件下可轉(zhuǎn)化為金剛石，因此，也可通過DАC 實(shí)現(xiàn)少層石墨烯到超薄金剛石的相變[69–70]。Gao 等[71]利用АFM 壓痕技術(shù)產(chǎn)生1～10 GPa 的局域高壓，誘導(dǎo)碳化硅上的雙層石墨烯發(fā)生由sp2雜化向sp3雜化的可逆相變，重構(gòu)為二維單層金剛石薄膜，即鉆石烯。Cellini 等[72]還利用金剛石壓頭對碳化硅、雙層石墨烯、5 層石墨烯進(jìn)行壓痕測試，如圖8(b)所示，結(jié)果表明，在同等壓力下碳化硅和5 層石墨烯表面發(fā)生了顯著的永久性破壞，而雙層石墨烯幾乎沒有發(fā)生破壞，表明在該壓力下雙層石墨烯的硬度高于碳化硅。利用埃壓痕技術(shù)得到二維金剛石薄膜的彈性模量約為1 TPa，接近天然金剛石，如圖8(c)所示。值得注意的是，上述石墨烯-鉆石烯相變可在常溫下發(fā)生，并且所需的壓強(qiáng)也遠(yuǎn)低于其他文獻(xiàn)[73–74]中的報(bào)道，為二維金剛石的規(guī)?；苽涮峁┝艘环N全新的思路。

圖8 雙層石墨烯-單層金剛石相變[71–72]Fig.8 Bilayer graphene-monolayer diamond phase transition[71–72]

Rejhon 等[75]、Brazhkin 等[76]對碳化硅上生長的外延石墨烯薄膜的高壓相變行為展開進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)在500～900 μN(yùn) 的壓力載荷下，碳化硅上外延石墨烯的硬度從30 GPa 升高到60 GPa，接近塊體金剛石的硬度。Szczefanowicz 等[77]發(fā)現(xiàn)，利用АFM 針尖對碳化硅上的外延石墨烯施加超過10 GPa 的壓強(qiáng)時(shí)，石墨烯會間歇性地sp3再雜化，并與硅針尖表面的氧化層以及碳化硅表面同時(shí)形成共價(jià)鍵，該過程將顯著限制外延石墨烯的超低摩擦特性。Hofmann 等[78]證明了利用АFM 探針對碳化硅上的外延石墨烯施加高壓可以導(dǎo)致碳原子從sp2雜化轉(zhuǎn)變?yōu)轭惤饎偸膕p3雜化，在原子尺度上暫時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸＇es 等[79]利用金剛石探針對機(jī)械剝離在SiO2/Si 表面的石墨烯施加超過10 GPa 的壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對摻雜的精準(zhǔn)調(diào)控，通過選擇性摻雜有效改善了石墨烯與金屬電極之間的電接觸。此外，第一性原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明，在壓力誘導(dǎo)下，石墨烯與二氧化硅基底之間形成了共價(jià)鍵。這項(xiàng)工作為利用壓力調(diào)控二維材料和范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能開辟了一條新的途徑。Sun 等[80]在理論上論證了利用АFM 實(shí)現(xiàn)高壓誘導(dǎo)碳材料超潤滑行為的可能性。最近，Cellini 等[81]基于АFM 納米壓痕技術(shù)施加局部壓力，誘導(dǎo)二氧化硅基底上的少層六方氮化硼的原子結(jié)構(gòu)發(fā)生重新排列，形成金剛石氮化硼（diamond-BN），該相的形成使得六方氮化硼的壓痕剛度比二氧化硅基底高約50%。即使對于較厚的六方氮化硼樣品，表面若干層原子也經(jīng)歷了sp2雜化到sp3雜化的相變過程，如圖9 所示。該研究表明，利用АFM探針施加局域高壓誘導(dǎo)二維材料發(fā)生結(jié)構(gòu)相變行為并不局限于石墨烯。

圖9 六方氮化硼-金剛石氮化硼相變[81]Fig.9 Hexagonal-to-diamond phase transition of boron nitride[81]

4 軟材料的力學(xué)性質(zhì)研究

基于АFM 的壓痕技術(shù)不僅可以用于硬質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)研究，在細(xì)胞、組織、高分子聚合物等軟材料的力學(xué)性質(zhì)研究中也有非常廣泛的應(yīng)用，有力地推動了生物力學(xué)的發(fā)展[82–83]。如前所述，根據(jù)測試對象軟硬程度的不同，基于АFM 的壓痕技術(shù)的測量模式和理論模型也有所區(qū)別。以下將重點(diǎn)介紹АFM 壓痕技術(shù)在細(xì)胞、組織等軟材料力學(xué)性質(zhì)研究中的測量方法和力學(xué)原理。

細(xì)胞和組織等生物材料的力學(xué)性質(zhì)、生物材料與環(huán)境之間的相互作用以及生物材料在不同生命狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)的動態(tài)變化是生物力學(xué)領(lǐng)域的重要課題之一[84–88]。АFM 可以在模擬生理?xiàng)l件的液體環(huán)境下對活細(xì)胞或組織進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具有高分辨率細(xì)胞成像、活細(xì)胞定量力學(xué)性質(zhì)表征以及動態(tài)生物過程快速掃描等功能，被廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)研究中[85]。АFM 已被用于蛋白質(zhì)層[88]、自組裝單層膜[89]、脂質(zhì)雙層膜[90]、紅細(xì)胞[91]等生物材料的力學(xué)性質(zhì)研究中。生物材料表面的生物大分子具有極強(qiáng)的黏附力，極易吸附在АFM 探針上，從而降低АFM 的空間分辨率；此外，細(xì)胞表面十分脆弱，常規(guī)探針的尖銳針尖極易對其造成損傷。因此，對生物材料進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)之前，需要根據(jù)樣品的性質(zhì)選取合適的探針。膠體球探針是生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的常用探針，其針尖曲率半徑可達(dá)微米量級，大大增加了探針與細(xì)胞的接觸面積，減小作用在細(xì)胞上的壓強(qiáng)，不易損傷細(xì)胞，常用于生物材料的力譜分析；另一種生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的常用探針是長針型АFM 探針，可減小液體環(huán)境所帶來的阻尼作用，提高在液體中測量的靈敏度。

基于膠體球探針的壓痕實(shí)驗(yàn)是目前最常用的測量細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)的方法[92]，如圖10(a)所示。由于針尖具有球形結(jié)構(gòu)，針尖與細(xì)胞的接觸力F可用赫茲模型（Hertz model）描述，即

圖10 生物材料的納米壓痕實(shí)驗(yàn)[92–94]Fig.10 АFM-based indentation on biomaterials[92–94]

式中：δcell為壓痕形變；ν 為細(xì)胞的泊松比[84]；E為細(xì)胞的彈性模量；R為有效半徑，1/R= 1/Rprobe+1/Rcell，其中Rcell為細(xì)胞半徑。在壓痕實(shí)驗(yàn)中，懸臂梁和針尖的形變遠(yuǎn)小于細(xì)胞的形變，可以忽略不計(jì)，因此壓痕實(shí)驗(yàn)得到的載荷-位移曲線可近似等效為載荷-形變曲線，利用赫茲模型進(jìn)行擬合，可得到細(xì)胞的彈性模量。采用該方法，Shen 等[93]獲得了犬腎細(xì)胞（Madin-Darby canine kidney Type Ⅱ，MDCK Ⅱ）的載荷-形變曲線及其赫茲模型擬合結(jié)果，如圖10(b)所示。Dumitru 等[94]通過АFM 對利用聚-L-賴氨酸固化的紅細(xì)胞進(jìn)行力學(xué)表征，結(jié)果如圖10(c)和圖10(d)所示。測試表明，健康紅細(xì)胞（healthy red blood cell，hRBC）的彈性模量約為29 kPa，而球形紅細(xì)胞癥患者的紅細(xì)胞（spherocytotic red blood cell，sRBC）的彈性模量約為91 kPa，約是hRBC 的3 倍。此外，也可利用АFM 對細(xì)胞或組織在不同環(huán)境下的力學(xué)特性進(jìn)行研究。以肺部上皮囊泡為例，其上皮細(xì)胞一側(cè)朝向囊泡內(nèi)腔接觸組織液，而另一側(cè)構(gòu)成囊泡外壁，內(nèi)外不同的環(huán)境使其具有明顯的極性，而有缺陷的上皮組織或?qū)嵭哪夷[無法建立極性，從而導(dǎo)致其彈性模量顯著降低[94]。

5 總結(jié)與展望

基于АFM 的納米壓痕和埃壓痕技術(shù)具有高精度、高分辨率等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于低維材料、軟材料等重要材料體系的力學(xué)性能表征與調(diào)控，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)納米壓痕技術(shù)的不足。此外，基于АFM 的壓痕技術(shù)作為一種簡單快速的高壓施加手段，在二維材料高壓相變研究中得到了一定的應(yīng)用。在微觀尺度上對二維材料等新材料的物性進(jìn)行表征和調(diào)控?zé)o疑是當(dāng)下基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)之一，并且與國計(jì)民生的重大科研及工程項(xiàng)目密切相關(guān)，具有重要的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。基于АFM的壓痕技術(shù)不僅具有強(qiáng)大的微觀力學(xué)表征能力，而且能夠創(chuàng)造高壓極端環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對材料結(jié)構(gòu)和物性的有力調(diào)控，相關(guān)研究可以為力學(xué)、材料科學(xué)、高壓物理等相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)際工程應(yīng)用提供重要的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)指導(dǎo)。