(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een meettechniek gedemonstreerd die op betrouwbare wijze drie fundamentele mechanische eigenschappen van films op bijna nanoschaal bepaalt. De techniek, waarin de uitdaging wordt benadrukt om mechanische metingen te doen aan een object met ten minste één dimensie vergelijkbaar met de grootte van een virus, moet een beter ontwerp en betere engineering mogelijk maken voor een verscheidenheid aan dunnefilmtechnologieën, in het bijzonder omgekeerde osmose membranen voor waterzuivering.

Omgekeerde osmose membranen, legt NIST-onderzoeker Chris Stafford uit, vormen een interessante uitdaging voor de materiaalwetenschapper. De membranen worden gebruikt in waterzuiveringssystemen - een polyamidefilm van niet meer dan 200 nanometer dik, ondersteund door een dikkere, poreuze steunlaag. Water dat opgeloste zouten of andere verontreinigingen bevat, wordt tegen één kant van het membraan gedrukt met aanzienlijke drukken tot ongeveer duizend psi (ongeveer 7 megapascal), en komt aan de andere kant naar buiten en laat de meeste onzuiverheden achter. De mechanische integriteit van het membraan is uiteraard essentieel - het kan niet scheuren of gaatjes lekken onder druk - maar ingenieurs misten een goede manier om de sterkte en het breekpunt te meten, onder stress, van deze extreem dunne films.

De NIST-techniek bouwt voort op eerder werk van het team dat aantoonde dat je de Young's modulus - een maat voor stijfheid of elasticiteit - voor dunne en ultradunne films betrouwbaar kunt bepalen door deze aan een stuk siliconenrubber te hechten, en vervolgens voorzichtig in één richting uitrekken. De film zal een regelmatig verdeeld patroon van rimpels ontwikkelen (probeer het met een stuk plasticfolie), en de afstand van de rimpels, de hoeveelheid rek en wat wiskunde geeft je de modulus. In het nieuwe werk ze trekken in feite harder totdat de film minuscule scheurtjes begint te ontwikkelen dwars op de spanning. deze ook, het blijkt, komen voor in regelmatige patronen, en de afstand kan worden geanalyseerd om zowel de breuksterkte als de aanvangsbreukspanning te bepalen, of het storingspunt, van de film.

Door hun techniek toe te passen om het effect van chloor op omgekeerde-osmosemembranen te bestuderen, het team ontdekte een puzzel. Van chloor in het water is bekend dat het een progressieve verslechtering van de membraanprestaties veroorzaakt, algemeen beschouwd als het resultaat van een langdurige chemische aantasting door het chloor. Niet zo, volgens het NIST-team. "Chemisch gezien is de chlooraanval vrij snel, ", zegt Stafford. Spectroscopische chemische analyse toonde aan dat alle chemische schade door blootstelling aan chloor in de eerste paar uur plaatsvindt. Tests met behulp van de kreuk-methode, echter, laten zien dat de mechanische eigenschappen continu achteruitgaan - het materiaal wordt steeds stijver, broos en zwak - tot de langst geteste duur, 10 dagen. "Het kan een verouderingseffect zijn in polymeren, ", zegt Stafford. "We blijven dat bestuderen om erachter te komen wat daarbinnen gebeurt, omdat het een echte meetuitdaging is om op die lengteschaal te komen om de structuur in de loop van de tijd te volgen."

Het project maakt deel uit van een breder NIST-programma om materiaalkwesties te bestuderen die verband houden met duurzame technologieën zoals waterzuivering, maar het onderzoeksteam merkt op dat de rimpel-crack-methode zelf breed toepasbaar zou zijn op mechanische studies van bijna elke dunne film op nanoschaal in velden zo divers als kunstmatige huid, flexibele elektronica, dunne-film sensoren, brandstofcellen en fotovoltaïsche energie.