Ny teknik kunne bringe kvalitetskontrolværktøj til nanokompositter

Lagdelte nanokompositter, der indeholder bittesmå strukturer blandet ind i en polymermatrix, vinder kommerciel brug, men deres komplekse natur kan skjule fejl, der påvirker ydeevnen.

Nu har forskere udviklet et system, der er i stand til at opdage sådanne defekter ved hjælp af en "Kelvin probe" -scanningsmetode med et atomkraftmikroskop. Evnen til at se under overfladen af ​​nanokompositter repræsenterer et potentielt nyt kvalitetskontrolværktøj for industrien.

"Dette er vigtigt for alt, der har polymerer, der indeholder små strukturer, herunder solceller til solceller organiske ledende enheder til fleksibel elektronik, batterimaterialer og så videre, "sagde Arvind Raman, Robert V. Adams professor i maskinteknik og associeret dekan for Global Engineering Program ved Purdue University.

Nanokompositter er lagdelte materialer, der indeholder forskellige strukturer, såsom carbon nanorør, ultratynde plader af kulstof kaldet grafen, guld nanopartikler og grafit nanofibre, blandes i en polymermatrix.

"Vi har brug for et værktøj, der gør det muligt for os at se, hvordan disse nano-objekter fordeles i en polymermatrix, " sagde Raman. "Du kan se på hele filmen og sige, 'Godt, det fungerer ikke som annonceret, 'men du ved ikke hvorfor. Dette giver dig mulighed for at se under overfladen på en ikke-destruktiv måde."

Fundene dukkede op i februar -udgaven af ACS Nano , udgivet af American Chemical Society. Artiklen er forfattet af ph.d.-studerende Octavio Alejandro Castañeda-Uribe, fra Universidad de los Andes (Uniandes) i Colombia; Ronald Reifenberger, en Purdue-professor i fysik; Raman; og Alba Avila, en lektor i Elektrisk og Elektronisk Afdeling i Uniandes, der er tilknyttet mikroelektronikcentret (CMUA) der.

Kelvin -sondemetoden er blevet brugt til at kortlægge elektrisk ladning på overflader af materialer. Imidlertid, nu har forskere opdaget, at metoden kan bruges til at se under overfladen, detektering af tredimensionelle netværk af nanostrukturer indlejret dybt inde i polymermatrixen.

"Dette giver os mulighed for at korrelere disse netværk med nanokompositters multifunktionelle egenskaber, "Sagde Avila.

Et atomkraftmikroskop bruger en lille vibrerende sonde kaldet en cantilever til at give information om materialer og overflader på skalaen af ​​nanometer, eller milliarddele af en meter. Instrumentet gør det muligt for forskere at "se" objekter langt mindre end muligt ved hjælp af lysmikroskoper. I Kelvin-sondescanning påføres en vekselstrøm til prøven, der undersøges, får sonden til at vibrere ved en bestemt frekvens, og derefter påføres en jævnstrøm til sonden, delvist ophæver effekten af ​​vekselstrømmen.

"Du ophæver hovedfrekvensen, men det viser sig, at der er en anden frekvens, der ikke annulleres, " sagde Raman. "Du dæmper på en måde hovedsignalet, men der er en højere tone, der forbliver i cantilever, og den højere tone er meget følsom over for det, der er under overfladen. "

De nye resultater identificerer præcist, hvor dybt og gennem hvor mange lag metoden kan sondere ind i et materiale. Forskere udviklede beregningsmetoder og en eksperimentel teknik, der gjorde værktøjet muligt.

"Hvis nanokomposit ikke fungerer godt, du skal kunne se ind, "Sagde Raman." Du skal foretage kvalitetskontrol på nanoskalaen. "

Nanorør og andre nanostrukturer bør ideelt set fordeles godt i hele nanokompositten, at danne et kontinuerligt netværk. Imidlertid, strukturerne har en tendens til at klumpe sig sammen i stedet, hindrer ydeevnen.

"Så, nu kan vi se, hvor de klumper sig sammen, og hvor de ikke er, fordi du kan se under overfladen uden at ødelægge prøven, " han sagde.

Metoden giver også forskere mulighed for at bestemme orienteringen, tilslutning og størrelsesfordeling, eller partikel-til-partikel variation af størrelse, hvilket er vigtigt for kvalitetskontrol.

Billeder, der er skabt med metoden, viser ormelignende kulstofnanorør under overfladen af ​​en komposit. Forskerne tilføjede systematisk lag og viste, at metoden er i stand til at detektere strukturer ned til en dybde på omkring 400 nanometer.

Purdue arbejdede med forskere på Uniandes i Bogotá gennem Colombia-Purdue Institute, som fremmer partnerskaber mellem Purdue og institutioner i Colombia, herunder universiteter, virksomheder, ministerier og ikke -statslige organisationer.

"Det er et godt eksempel på, hvordan man bringer internationale hold sammen for at få noget rigtig godt udrettet, "Sagde Raman.

Uniandes -forskere var involveret i behandlingen af ​​nanokompositfilmene og også udviklingen af ​​den eksperimentelle teknik. Nanokompositfilmbehandling og udvikling af atomkraftmikroskopets eksperimentelle teknik blev udført af et team på Purdues Birck Nanotechnology Center. Beregningerne blev udført på Uniandes.

"Dette samarbejde gjorde det muligt at tilbyde forskningstræning og adgang til faciliteter på begge universiteter til avanceret forskning med fokus på at undersøge dybde-detekteringsgrænser for karakteriseringsteknikker baseret på atomkraftmikroskopi, " sagde Avila. "Disse grænser er nødvendige for at kunne opdage, karakterisere, og kvantificere placeringen af ​​nanomaterialenetværk inden for en polymermatrix, tillader 3-D-billedrekonstruktion af nanokompositter og en mere pålidelig forudsigelse, estimering og korrelation af egenskaberne for nanokompositter. "