Gelaagde nanocomposieten die kleine structuren bevatten die in een polymeermatrix zijn gemengd, winnen commercieel gebruik, maar hun complexe aard kan defecten verbergen die de prestaties beïnvloeden.

Nu hebben onderzoekers een systeem ontwikkeld dat dergelijke defecten kan detecteren met behulp van een "Kelvin-sonde" -scanmethode met een atoomkrachtmicroscoop. Het vermogen om onder het oppervlak van nanocomposieten te kijken, vormt een potentieel nieuw kwaliteitscontrole-instrument voor de industrie.

"Dit is belangrijk voor alles met polymeren die kleine structuren bevatten, inclusief fotovoltaïsche installaties voor zonnecellen, organische geleidende apparaten voor flexibele elektronica, batterij materialen enzovoort, " zei Arvind Raman, de Robert V. Adams hoogleraar Werktuigbouwkunde en associate dean voor het Global Engineering Program aan de Purdue University.

Nanocomposieten zijn gelaagde materialen die verschillende structuren bevatten, zoals koolstofnanobuizen, ultradunne lagen koolstof, grafeen genaamd, gouden nanodeeltjes en grafiet nanovezels, gemengd tot een polymeermatrix.

"We hebben een tool nodig waarmee we kunnen zien hoe deze nano-objecten worden verdeeld in een polymeermatrix, " zei Raman. "Je kunt naar de hele film kijken en zeggen:'We zullen, het presteert niet zoals geadverteerd, ' maar je weet niet waarom. Hierdoor kun je op een niet-destructieve manier onder het oppervlak kijken."

Bevindingen verschenen in het februarinummer van ACS Nano , gepubliceerd door de American Chemical Society. Het artikel is geschreven door promovendus Octavio Alejandro Castañeda-Uribe, van Universidad de los Andes (Uniandes) in Colombia; Ronald Reifenberger, een Purdue hoogleraar natuurkunde; Raman; en Alba Avila, een universitair hoofddocent bij de afdeling Electrical and Electronics van Uniandes die daar verbonden is aan het micro-elektronicacentrum (CMUA).

De Kelvin-sondemethode is gebruikt om elektrische lading op de oppervlakken van materialen in kaart te brengen. Echter, nu hebben onderzoekers ontdekt dat de methode kan worden gebruikt om onder het oppervlak te kijken, het detecteren van driedimensionale netwerken van nanostructuren die diep in de polymeermatrix zijn ingebed.

"Hierdoor kunnen we deze netwerken correleren met de multifunctionele eigenschappen van nanocomposieten, ' zei Avila.

Een atoomkrachtmicroscoop gebruikt een kleine vibrerende sonde, een cantilever genaamd, om informatie op te leveren over materialen en oppervlakken op de schaal van nanometers, of miljardsten van een meter. Het instrument stelt wetenschappers in staat om objecten te "zien" die veel kleiner zijn dan mogelijk is met lichtmicroscopen. Bij het scannen van een Kelvin-sonde wordt een wisselstroom toegepast op het bestudeerde monster, waardoor de sonde op een bepaalde frequentie trilt, en dan wordt een gelijkstroom op de sonde toegepast, waardoor het effect van de wisselstroom gedeeltelijk teniet wordt gedaan.

"Je vernietigt de hoofdfrequentie, maar het blijkt dat er een tweede frequentie is die niet nul is, " zei Raman. "Je dempt het hoofdsignaal een beetje, maar er is een hogere toon die in de cantilever blijft, en die hogere toon is erg gevoelig voor wat zich onder het oppervlak bevindt."

De nieuwe bevindingen identificeren precies hoe diep en door hoeveel lagen de methode in een materiaal kan doordringen. Onderzoekers ontwikkelden computationele methoden en een experimentele techniek die de tool mogelijk maakten.

"Als het nanocomposiet niet goed werkt, je moet naar binnen kunnen kijken, "Zei Raman. "Je moet kwaliteitscontrole op nanoschaal doen."

Nanobuisjes en andere nanostructuren moeten idealiter goed verdeeld zijn over het nanocomposiet, een continu netwerk vormen. Echter, de structuren hebben de neiging om in plaats daarvan samen te klonteren, prestaties belemmeren.

"Dus, nu kunnen we zien waar ze samenklonteren en waar niet, omdat je onder het oppervlak kunt kijken zonder het monster te vernietigen, " hij zei.

De methode stelt onderzoekers ook in staat om de oriëntatie, connectiviteit en grootteverdeling, of de deeltjes-tot-deeltje variatie van grootte, wat belangrijk is voor de kwaliteitscontrole.

Afbeeldingen die met de methode zijn gemaakt, tonen wormachtige koolstofnanobuisjes onder het oppervlak van een composiet. De onderzoekers voegden systematisch lagen toe en toonden aan dat de methode structuren kan detecteren tot een diepte van ongeveer 400 nanometer.

Purdue werkte samen met onderzoekers van Uniandes in Bogotá via het Colombia-Purdue Institute, die partnerschappen tussen Purdu en instellingen in Colombia bevordert, inclusief universiteiten, bedrijven, ministeries en niet-gouvernementele organisaties.

"Het is een goed voorbeeld van hoe je internationale teams samenbrengt om iets heel goeds voor elkaar te krijgen. ' zei Raman.

Uniandes-onderzoekers waren betrokken bij het verwerken van de nanocomposietfilms en ook bij het ontwikkelen van de experimentele techniek. De verwerking van nanocomposietfilms en de ontwikkeling van de experimentele techniek van de atoomkrachtmicroscoop werden uitgevoerd door een team van Purdue's Birck Nanotechnology Center. De berekeningen zijn uitgevoerd bij Uniandes.

"Deze samenwerking maakte het mogelijk om onderzoekstraining en toegang tot faciliteiten aan beide universiteiten te bieden voor geavanceerd onderzoek gericht op het verkennen van dieptedetectielimieten van karakteriseringstechnieken op basis van atoomkrachtmicroscopie, "Zei Avila. "Deze limieten zijn nodig om met vertrouwen te detecteren, karakteriseren, en kwantificeer de locatie van de nanomateriaalnetwerken binnen een polymeermatrix, waardoor 3D-beeldreconstructie van nanocomposieten en een betrouwbaardere voorspelling mogelijk is, schatting en correlatie van de eigenschappen van nanocomposieten."