In de afgelopen paar decennia, atomaire krachtmicroscopie (AFM) is naar voren gekomen als een krachtig hulpmiddel voor het afbeelden van oppervlakken met verbazingwekkende resoluties - in sommige gevallen fracties van een nanometer. Maar stel dat je meer bezig bent met wat er onder de oppervlakte ligt? Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology hebben aangetoond dat onder de juiste omstandigheden, oppervlaktewetenschappelijke instrumenten zoals de AFM kunnen waardevolle gegevens opleveren over de ondergrond.

Hun recent gepubliceerde* werk met collega's van de National Aeronautics and Space Administration (NASA), Nationaal Instituut voor Lucht- en Ruimtevaart, University of Virginia en University of Missouri kunnen bijzonder nuttig zijn bij het ontwerpen en vervaardigen van nanogestructureerde composietmaterialen. Ingenieurs bestuderen geavanceerde materialen die koolstofnanobuisjes mengen in een polymeerbasis voor een breed scala aan hoogwaardige toepassingen vanwege de unieke eigenschappen, zoals superieure sterkte en elektrische geleiding, toegevoegd door de nanobuisjes. Het materiaal gekozen door het onderzoeksteam als hun testcase, bijvoorbeeld, wordt door NASA bestudeerd voor gebruik in actuatoren van ruimtevaartuigen, omdat het mogelijk beter presteert dan de zwaardere keramiek die nu wordt gebruikt.

Maar, zegt NIST-materiaalwetenschapper Minhua Zhao, "Een van de kritieke problemen om te bestuderen, is hoe de koolstofnanobuisjes in het composiet worden verdeeld zonder het onderdeel echt te breken. Er zijn maar heel weinig technieken beschikbaar voor dit soort niet-destructief onderzoek." Zhao en zijn collega's besloten een ongebruikelijke toepassing van atoomkrachtmicroscopie te proberen.

De AFM is eigenlijk een familie van instrumenten die werken op hetzelfde basisprincipe:een delicate naaldachtige punt zweeft net boven het te profileren oppervlak en reageert op zwakke, krachten op atomair niveau. Een typische AFM voelt zogenaamde "van der Waals-krachten, " krachten op zeer korte afstand uitgeoefend door moleculen of atomen. Dit beperkt het instrument tot het oppervlak van monsters.

In plaats daarvan, het team gebruikte een AFM die was ontworpen om de sterkere, elektrostatische kracht over een groter bereik (technisch gezien een EFM), het meten van de interactie tussen de sondepunt en een geladen plaat onder het samengestelde monster. Wat maakt dat het werkt, zegt Zhao, is dat de nanobuisjes elektrische geleiders zijn met een hoge diëlektrische constante (een maat voor hoe het materiaal een elektrisch veld beïnvloedt), maar het polymeer is een materiaal met een lage diëlektrische constante. Zulke enorme diëlektrische constante verschillen tussen nanobuisjes en het polymeer is de sleutel tot het succes van deze techniek, en met goed gekozen spanningen verschijnen de nanobuisjes als fijn gedetailleerde vezels die onder het oppervlak van de composiet zijn verspreid.

Het doel, volgens Zhao, is om het proces goed genoeg te beheersen om kwantitatieve metingen mogelijk te maken. Momenteel kan de groep verschillende concentraties koolstofnanobuisjes in het polymeer onderscheiden, bepaal geleidende netwerken van de nanobuisjes en breng de elektrische potentiaalverdeling van de nanobuisjes onder het oppervlak in kaart. Maar het meten is best lastig, Veel factoren, inclusief sondevorm en zelfs vochtigheid beïnvloeden de elektrostatische kracht.

Het team gebruikte een speciaal ontworpen sondepunt en een gepatenteerd, Door NIST ontworpen AFM-vochtigheidskamer.** Een interessante, nog niet volledig begrepen effect, zegt Zhao, is dat het verhogen van de spanning tussen de sonde en het monster op een bepaald moment ervoor zorgt dat het beeldcontrast wordt omgekeerd, donkere gebieden worden licht en vice versa. Het team bestudeert het mechanisme van een dergelijke contrastinversie.

"We zijn deze EFM-techniek nog aan het optimaliseren voor ondergrondse beeldvorming, " zegt Zhao. "Als de diepte van nanostructuren die zich vanaf het filmoppervlak bevinden kwantitatief kan worden bepaald, deze techniek zal een krachtig hulpmiddel zijn voor niet-destructieve ondergrondse beeldvorming van hoge diëlektrische nanostructuren in een lage diëlektrische matrix, met een breed scala aan toepassingen in nanotechnologie."