Måling af nanokompositstrukturer med neutron- og røntgenspredning

Eksperimenter med state-of-the-art spredningsinstrumenter afslører et fravær af specifikke mønstre i røntgenstrålerne spredt af nanokompositmaterialer. Ved hjælp af avancerede simuleringsteknikker tyder en ny undersøgelse på, at attraktive interaktioner mellem nanopartikler med forskellige former og størrelser højst sandsynligt er ansvarlige for denne adfærd.

Småvinklet spredning af røntgenstråler og neutroner er et nyttigt værktøj til at studere molekylære og nanopartikelstrukturer. Indtil videre har eksperimenter imidlertid afsløret en overraskende mangel på nanopartikelstruktur i visse nanokompositmaterialer - hvis molekylære skeletter er forstærket med nanopartikler, der tidligere er behandlet med polymeradsorption.

I en ny tilgang beskrevet i EPJ E , Anne-Caroline Genix og Julian Oberdisse ved universitetet i Montpellier, Frankrig, viser, at disse mønstre kun kan produceres gennem attraktive interaktioner mellem nanopartikler med en bred vifte af former og størrelser.

Duoens resultater fremhæver de hurtigt forbedrede muligheder for spredningsinstrumenter med små vinkler og kan også hjælpe forskere med at forbedre deres teknikker til at studere nanokompositter - med applikationer inden for områder, herunder miniaturiseret elektronik, biologisk vævsteknologi og stærke, lette materialer til fly.

Når stråler af røntgenstråler eller neutroner interagerer med atomer i materialeprøver, får den resulterende overførsel af momentum dem til at spredes i karakteristiske mønstre, som varierer afhængigt af prøvens molekylære struktur. I de senere år er instrumenter til måling af denne spredning hurtigt blevet forbedret, hvilket giver hurtigere dataindsamling samt mere nøjagtige og omfattende målinger af ændringerne i partiklernes hastigheder og retninger.

I deres seneste forskning har Genix og Oberdisse brugt teknikken til at studere strukturerne af koncentrerede, polymerbaserede nanokompositter. Det er velkendt, at ved høje nanopartikelkoncentrationer ændrer interaktioner mellem partiklerne spredningsmønsteret.

Alligevel overraskende i deres eksperimenter fandt duoen ud af, at dette ikke så ud til at ske:I stedet syntes de røntgenstrålespredningsmønstre, de observerede, at indikere individuelle nanopartikler. For at forklare dette resultat udførte forskerne numeriske simuleringer for at relatere nanopartiklernes positioner i rummet til de spredningsmønstre, de observerede.

De opdagede, at for høje nanopartikelkoncentrationer frembringer attraktive interaktioner mellem nanopartikler med en bred vifte af former og størrelser en næsten 'strukturløs' tilstand i nanokompositten - hvilket forklarer manglen på specifikke træk i deres observationer. Denne opdagelse giver vigtig indsigt i de molekylære egenskaber af nanokompositter, og hvordan de kan konstrueres til at optimere deres unikke egenskaber.

Flere oplysninger: Anne-Caroline Genix et al., Om fraværet af strukturfaktorer i koncentrerede kolloide suspensioner og nanokompositter, The European Physical Journal E (2023). DOI:10.1140/epje/s10189-023-00306-6

Journaloplysninger: European Physical Journal E

Leveret af Springer