D21 Microscopie à force atomique (AFM)

Topique

La force d'interaction entre une pointe minuscule et une surface peut être mesurée à l'échelle nanométrique grâce à la microscopie à force atomique (AFM). Cette technique est appliquée directement aux soies adhésives des insectes, à leur cuticule et à divers substrats d'intérêt.

En mode de mesure de la force en fonction de la distance, la pointe de l'AFM s'approche de la surface puis s'en éloigne. Durant ce mouvement, la déflexion du levier supportant la pointe est enregistrée, en fonction de la position précise à laquelle un élément piézoélectrique déplace la pointe. Cette déflexion du levier constitue le signal brut à partir duquel la force d'interaction est extraite.

Pour convertir cette déflexion en une valeur de force réelle, il est essentiel de calibrer précisément la constante de raideur du levier. La méthode de Sader réalise cette calibration de manière particulièrement élégante : elle relie la constante de raideur à la fréquence de résonance et au facteur de qualité du levier lui-même lorsqu'il vibre dans le fluide, sans nécessiter de référence de force externe. Une fois le levier calibré, la branche d'approximation de la courbe force-distance peut être ajustée à l'aide du modèle de Hertz afin d'extraire le module de Young de l'échantillon mesuré. Cet ajustement est valable car, dans un contact élastique sphérique tel que celui entre la pointe AFM et la surface, la force augmente avec la distance de pénétration à la puissance 3,5, une relation caractéristique de ce type de contact.

Lorsque la pointe AFM est particulièrement petite et rigide, avec un rayon inférieur à vingt nanomètres, le modèle de Hertz n'est plus approprié et le modèle DMT est alors utilisé. Ce modèle relie directement la force nécessaire pour séparer la pointe de la surface, appelée force d'arrachement, à l'énergie d'adhésion de Dupré entre elles, sans qu'il soit nécessaire de connaître la déformation de la surface lors du contact. Appliquées aux soies adhésives individuelles de l'insecte, ces courbes de force révèlent quelque chose qu'aucune mesure moyenne de l'ensemble des soies ne pourrait montrer : à quel point la force d'adhérence varie d'une soie à l'autre au sein de la même structure adhésive, et comment cette force d'adhérence change en fonction de l'orientation dans laquelle les soies entrent en contact avec la surface — un effet connu sous le nom d'anisotropie adhésive.

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