Ny test måler nøgleegenskaber ved polymertynde film og membraner

(PhysOrg.com)-Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har demonstreret en måleteknik, der pålideligt bestemmer tre grundlæggende mekaniske egenskaber ved nær-nanoskala film. Teknikken, som fremhæver udfordringen ved at foretage mekaniske målinger på et objekt med mindst en dimension, der kan sammenlignes med størrelsen på en virus, bør muliggøre bedre design og konstruktion af en række tyndfilmsteknologier, især membraner med omvendt osmose til vandrensning.

Reverse-osmose-membraner, forklarer NIST -forsker Chris Stafford, er en interessant udfordring for materialeforskeren. Membranerne bruges i vandrensningssystemer - en polyamidfilm, der ikke er mere end 200 nanometer tyk, understøttet af en tykkere, porøst understøtningslag. Vand, der holder opløste salte eller andre forurenende stoffer, tvinges mod den ene side af membranen ved betydelige tryk op til omkring tusinde psi (omtrent 7 megapascal), og kommer ud på den anden side og efterlader de fleste urenheder. Membranens mekaniske integritet er naturligvis afgørende - den kan ikke rive eller udvikle huller i huller under trykket - men ingeniører manglede en god måde at måle styrken og brudpunktet på, under stress, af disse ekstremt tynde film.

NIST -teknikken bygger på tidligere arbejde fra teamet, der viste, at du pålideligt kan bestemme Youngs modul - et mål for stivhed eller elasticitet - for tynde og ultratynde film ved at binde det til et stykke siliciumgummi, og stræk den derefter forsigtigt i en retning. Filmen udvikler et mønster af rynker med regelmæssig afstand (prøv det med et stykke plastfolie), og afstanden mellem rynkerne, mængden af ​​strækning og noget matematik giver dig modulet. I det nye værk, de trækker dybest set hårdere, indtil filmen begynder at udvikle små revner på kryds og tværs til spændingen. Også disse, det viser sig, forekommer i almindelige mønstre, og afstanden kan analyseres for at bestemme både brudstyrken og den begyndende brudstamme, eller fejlpunktet, af filmen.

Anvendelse af deres teknik til at studere virkningen af ​​klor på reverse-osmose-membraner, holdet afdækkede et puslespil. Klor i vandet vides at forårsage en gradvis forringelse af membranydelsen, generelt menes at være resultatet af langvarig kemisk angreb af kloren. Ikke så, ifølge NIST -teamet. "Kemisk er klorangrebet ret hurtigt, "siger Stafford. Spektroskopisk kemisk analyse viste, at alle kemiske skader som følge af kloreksponering sker i de første par timer. Test ved hjælp af rynke-revnemetoden, imidlertid, viser, at de mekaniske egenskaber nedbrydes kontinuerligt - materialet bliver mere og mere stift, skør og svag - op til den længste testede varighed, 10 dage. "Det kan være en ældningseffekt i polymerer, "siger Stafford." Vi fortsætter med at studere det for at finde ud af, hvad der foregår derinde, fordi det er en reel måleudfordring at komme ind på den længdeskala for at følge strukturen over tid. "

Projektet er en del af et bredere NIST -program for at studere materialespørgsmål relateret til bæredygtige teknologier som vandrensning, men forskergruppen bemærker, at selve rynke-knæk-metoden i vid udstrækning ville være anvendelig til mekaniske undersøgelser af næsten enhver tyndfilm i nanoskala på så forskellige områder som kunstig hud, fleksibel elektronik, tyndfilmsensorer, brændselsceller og solceller.