Skiktade nanokompositer som innehåller små strukturer blandade i en polymermatris får kommersiell användning, men deras komplexa natur kan dölja defekter som påverkar prestanda.

Nu har forskare utvecklat ett system som kan upptäcka sådana defekter med hjälp av en "Kelvin-sond"-skanningsmetod med ett atomkraftsmikroskop. Möjligheten att titta under ytan av nanokompositer representerar ett potentiellt nytt kvalitetskontrollverktyg för industrin.

"Detta är viktigt för allt som har polymerer som innehåller små strukturer, inklusive solceller för solceller, organiska ledningsanordningar för flexibel elektronik, batterimaterial och så vidare, sade Arvind Raman, Robert V. Adams professor i maskinteknik och biträdande dekan för Global Engineering Program vid Purdue University.

Nanokompositer är skiktade material som innehåller olika strukturer som kolnanorör, ultratunna kolark som kallas grafen, guld nanopartiklar och grafit nanofibrer, blandas i en polymermatris.

"Vi behöver ett verktyg som tillåter oss att se hur dessa nanoobjekt är fördelade inom en polymermatris, " sa Raman. "Du kan titta på hela filmen och säga, 'Väl, det fungerar inte som annonserat, 'men du vet inte varför. Detta gör att du kan se under ytan på ett oförstörande sätt."

Fynd dök upp i februarinumret av ACS Nano , publicerad av American Chemical Society. Uppsatsen skrevs av doktoranden Octavio Alejandro Castañeda-Uribe, från Universidad de los Andes (Uniandes) i Colombia; Ronald Reifenberger, en Purdue-professor i fysik; Raman; och Alba Avila, en docent vid elektriska och elektroniska avdelningen vid Uniandes som är knuten till mikroelektronikcentret (CMUA) där.

Kelvin-sondmetoden har använts för att kartlägga elektrisk laddning på materialytor. Dock, nu har forskare upptäckt att metoden kan användas för att titta under ytan, upptäcka tredimensionella nätverk av nanostrukturer inbäddade djupt inuti polymermatrisen.

"Detta tillåter oss att korrelera dessa nätverk med de multifunktionella egenskaperna hos nanokompositer, sa Avila.

Ett atomkraftmikroskop använder en liten vibrerande sond som kallas en fribärande för att ge information om material och ytor på nanometers skala, eller miljarddels meter. Instrumentet gör det möjligt för forskare att "se" föremål som är mycket mindre än möjligt med hjälp av ljusmikroskop. I Kelvin-sondskanning appliceras en växelström på provet som studeras, får sonden att vibrera med en viss frekvens, och sedan appliceras en likström på sonden, delvis omintetgör effekten av växelströmmen.

"Du annullerar huvudfrekvensen, men det visar sig att det finns en andra frekvens som inte är nollställd, " sa Raman. "Du tystar typ av huvudsignalen, men det finns en högre ton som finns kvar i konsolen, och den högre tonen är väldigt känslig för vad som finns under ytan."

De nya rönen identifierar exakt hur djupt och genom hur många lager metoden kan sondera in i ett material. Forskare utvecklade beräkningsmetoder och en experimentell teknik som gjorde verktyget möjligt.

"Om nanokompositen inte fungerar bra, du måste kunna titta inuti, "Sade Raman." Du måste göra kvalitetskontroll på nanoskala. "

Nanorör och andra nanostrukturer bör helst vara väl fördelade i hela nanokompositen, bildar ett kontinuerligt nätverk. Dock, strukturerna tenderar att klumpa ihop sig istället, hämmar prestationen.

"Så, nu kan vi se var de klumpar ihop sig och var de inte är eftersom du kan se under ytan utan att förstöra provet, " han sa.

Metoden gör det också möjligt för forskare att bestämma inriktningen, anslutning och storleksfördelning, eller storleksvariationen partikel till partikel, vilket är viktigt för kvalitetskontrollen.

Bilder skapade med metoden visar maskliknande kolnanorör under ytan av en komposit. Forskarna lade systematiskt till lager och visade att metoden är kapabel att detektera strukturer ner till ett djup av cirka 400 nanometer.

Purdue arbetade med forskare vid Uniandes i Bogotá genom Colombia-Purdue Institute, som främjar partnerskap mellan Purdue och institutioner i Colombia, inklusive universitet, företag, statliga ministerier och icke -statliga organisationer.

"Det är ett bra exempel på hur man sammanför internationella team för att få något riktigt bra uträttat, sa Raman.

Uniandes forskare var involverade i att bearbeta nanokompositfilmerna och även utveckla den experimentella tekniken. Nanokompositfilmbearbetning och utveckling av atomkraftmikroskopets experimentella teknik utfördes av ett team vid Purdues Birck Nanotechnology Center. Beräkningarna utfördes vid Uniandes.

"Detta samarbete gjorde det möjligt att tillhandahålla forskarutbildning och tillgång till faciliteter vid båda universiteten för avancerad forskning fokuserad på att utforska djupdetektionsgränser för karakteriseringstekniker baserade på atomkraftsmikroskopi, ", sa Avila. "Dessa gränser behövs för att säkert upptäcka, karakterisera, och kvantifiera platsen för nanomaterialnätverken inom en polymermatris, möjliggör 3D-bildrekonstruktion av nanokompositer och en mer tillförlitlig förutsägelse, uppskattning och korrelation av egenskaperna hos nanokompositer."