(PhysOrg.com)-Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har visat en mätteknik som på ett tillförlitligt sätt bestämmer tre grundläggande mekaniska egenskaper hos filmer nära nanoskala. Tekniken, som belyser utmaningen att göra mekaniska mätningar på ett objekt med minst en dimension som är jämförbar med storleken på ett virus, bör möjliggöra bättre design och konstruktion för en mängd olika tunnfilmstekniker, särskilt membran med omvänd osmos för vattenrening.

Omvänd osmosmembran, förklarar NIST -forskaren Chris Stafford, är en intressant utmaning för materialvetaren. Membranen används i vattenreningssystem - en polyamidfilm som inte är mer än 200 nanometer tjock med en tjockare, poröst stödlager. Vatten som håller upplösta salter eller andra föroreningar tvingas mot ena sidan av membranet vid betydande tryck upp till cirka tusen psi (ungefär 7 megapascal), och kommer ut på andra sidan och lämnar de flesta orenheterna bakom sig. Membranets mekaniska integritet är uppenbarligen avgörande - det kan inte riva eller utveckla tapphålläckor under trycket - men ingenjörer saknade ett bra sätt att mäta styrkan och brytpunkten, under stress, av dessa extremt tunna filmer.

NIST -tekniken bygger på tidigare arbete från teamet som visade att du på ett tillförlitligt sätt kan bestämma Youngs modul - ett mått på styvhet eller elasticitet - för tunna och ultratunna filmer genom att binda den till en bit kiselgummi, och sträck den sedan försiktigt i en riktning. Filmen kommer att utveckla ett mönster av rynkor med jämna mellanrum (prova med en bit plastfolie), och avståndet mellan rynkorna, mängden stretch och lite matematik ger dig modulen. I det nya arbetet, de drar i princip hårdare tills filmen börjar utveckla små sprickor tvärs över spänningen. Dessa också, det visar sig, förekommer i vanliga mönster, och avståndet kan analyseras för att bestämma både frakturstyrkan och frakturstammen, eller felpunkten, av filmen.

Tillämpa sin teknik för att studera effekten av klor på omvänd osmosmembran, laget avslöjade ett pussel. Klor i vattnet är känt för att orsaka en progressiv försämring av membranets prestanda, allmänt tros vara resultatet av långvarig kemisk attack av klor. Inte så, enligt NIST -teamet. "Kemiskt är klorattacken ganska snabb, "säger Stafford. Spektroskopisk kemisk analys visade att alla kemiska skador från klorexponering sker under de första timmarna. Tester med rynk-sprickmetoden, dock, visa att de mekaniska egenskaperna försämras kontinuerligt - materialet blir mer och mer styvt, sprött och svagt - upp till den längsta testtiden, 10 dagar. "Det kan vara en åldrande effekt i polymerer, "säger Stafford." Vi fortsätter att studera det för att ta reda på vad som händer där inne, för det är en verklig mätutmaning att komma in på den längdskalan för att följa strukturen över tid. "

Projektet är en del av ett bredare NIST -program för att studera materialfrågor relaterade till hållbar teknik som vattenrening, men forskargruppen noterar att själva rynk-sprickmetoden skulle vara i stort sett tillämplig på mekaniska studier av nästan vilken nanoskala tunn film som helst på så olika områden som konstgjord hud, flexibel elektronik, tunnfilmsensorer, bränsleceller och solceller.