Under de senaste decennierna har atomkraftsmikroskopi (AFM) har framträtt som ett kraftfullt verktyg för att avbilda ytor med häpnadsväckande upplösningar - fraktioner av en nanometer i vissa fall. Men antar att du är mer bekymrad över vad som ligger under ytan? Forskare vid National Institute of Standards and Technology har visat att under rätt omständigheter, ytvetenskapliga instrument som AFM kan leverera värdefull data om förhållanden under ytan.

Deras nyligen publicerade* arbete med kollegor från National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Institute of Aerospace, University of Virginia och University of Missouri kan vara särskilt användbara vid design och tillverkning av nanostrukturerade kompositmaterial. Ingenjörer studerar avancerade material som blandar kolnanorör i en polymerbas för en mängd olika högpresterande applikationer på grund av de unika egenskaperna, såsom överlägsen styrka och elektrisk konduktans, tillsatt av nanorör. Materialet som forskargruppen har valt som deras testfall, till exempel, studeras av NASA för användning i rymdskeppsaktuatorer eftersom det kan överträffa den tyngre keramik som nu används.

Men, säger NIST -materialforskaren Minhua Zhao, "En av de kritiska frågorna att studera är hur kolnanorören fördelas i kompositen utan att faktiskt bryta delen. Det finns väldigt få tekniker tillgängliga för denna typ av icke-destruktiv studie." Zhao och hans kollegor bestämde sig för att prova en ovanlig tillämpning av atomkraftsmikroskopi.

AFM är faktiskt en familj av instrument som arbetar på samma grundläggande princip:en känslig nålliknande punkt svävar precis ovanför ytan för att profileras och svarar på svaga, atomkrafter. En typisk AFM känner av så kallade "van der Waals-krafter, "Mycket korta sträckor som utövas av molekyler eller atomer. Detta begränsar instrumentet till ytan av prover.

Istället, laget använde en AFM utformad för att använda de starkare, längre räckvidd elektrostatisk kraft (tekniskt sett en EFM), mäta interaktionen mellan sondspetsen och en laddad platta under det sammansatta provet. Vad får det att fungera, säger Zhao, är att nanorören är elektriska ledare med hög dielektrisk konstant (ett mått på hur materialet påverkar ett elektriskt fält), men polymeren är ett material med låg dielektrisk konstant. Sådana enorma dielektriska konstanta skillnader mellan nanorör och polymeren är nyckeln till framgången för denna teknik, och med rätt valda spänningar visas nanorören som fint detaljerade fibrer som är spridda under kompositens yta.

Målet, enligt Zhao, är att styra processen tillräckligt bra för att möjliggöra kvantitativa mätningar. För närvarande kan gruppen skilja på olika koncentrationer av kolnanorör i polymeren, bestämma ledande nät av nanorör och kartlägga elektrisk potentialfördelning av nanorören under ytan. Men mätningen är ganska knepig, många faktorer, inklusive sondform och jämn fuktighet påverkar den elektrostatiska kraften.

Teamet använde en specialdesignad sondspets och en patenterad, NIST-designad AFM-fuktkammare. ** En intressant, ännu inte helt förstådd effekt, säger Zhao, är att ökad spänning mellan sonden och provet vid något tillfälle får bildkontrasten att vända, mörka områden blir ljusa och vice versa. Teamet studerar mekanismen för en sådan kontrastinversion.

"Vi optimerar fortfarande denna EFM -teknik för bildbehandling under ytan, "säger Zhao." Om djupet av nanostrukturer som ligger från filmytan kan bestämmas kvantitativt, denna teknik kommer att vara ett kraftfullt verktyg för icke -destruktiv avbildning under ytan av höga dielektriska nanostrukturer i en låg dielektrisk matris, med ett brett spektrum av tillämpningar inom nanoteknik. "