Разработан новый метод, позволяющий исследовать нанокомпозиты
Слоистые нанокомпозиты представляют собой класс материалов со сложной структурой, которую можно представить как множество крошечных структур, распределенных в полимерной матрице. Их сложная природа обусловливает порой наличие в них некоторых дефектов, оказывающих нежелательное влияние на эффективность этих систем.
Группа исследователей разработала систему, способную обнаруживать такие дефекты, используя «зонд Кельвина» — метод сканирования с помощью атомно-силового микроскопа. Результаты были опубликованы в статье журнала ACS Nano Американского химического сообщества. Авторы статьи: докторант Октавио Алехандро Кастенда-Урибе из Университета де лос Андес, Колумбия; Рональд Рейфенбергер, профессор физики Университета Пердью, США, и др. (DOI: 10.1021/nn507019c) Метод позволяет заглянуть под поверхность нанокомпозитов, демонстрируя потенциально новый инструмент контроля качества в промышленных масштабах.
Нанокомпозиты представляют собой слоистые материалы, содержащие различные структуры, такие как углеродные нанотрубки, ультратонкие листы углерода – графен, наночастицы золота и графитовые нановолокна, находящиеся в полимерной матрице, которые в идеале должны быть равномерно распределены по всему ее объему, образуя трехмерную сетку. Тем не менее, частицы стремятся сгруппироваться вместе, что снижает качество материала.
Атомно-силовой микроскоп использует крошечный вибрирующий зонд, которые называется консолью, чтобы получить информацию о материалах и поверхностях в масштабе нанометров, или миллиардных долей метра. Прибор позволяет ученым «видеть» объекты намного меньших размеров, чем это возможно с помощью световых микроскопов. При сканировании «зондом Кельвина» на исследуемый образец подается переменный ток, в результате чего зонд начинает вибрировать на определенной частоте, а затем к зонду прикладывается постоянный ток, частично нивелируя эффект переменного тока, что позволяет регистрировать сигнал с другой, более высокой частотой.
Полученные данные позволили оценить, насколько глубоко и сквозь сколько слоев данным методом можно исследовать материал: метод позволяет обнаруживать структуры до глубины около 400 нанометров. Метод также позволяет исследователям определить ориентацию, связи и распределение по размерам, или изменение размеров от частицы к частице, что очень важно для контроля качества.
Данный метод очень полезен для точной характеристики и расположения наноматериалов в полимерной матрице, что позволяет получать 3D-изображения нанокомпозитов и осуществлять более надежный прогноз, оценку и сопоставление свойств нанокомпозитов.
Ученые поясняют, что это в первую очередь актуально для полимерных нанокомпозитов, в том числе элементов солнечных батарей, органических проводящих устройств для гибкой электроники, материалов батареи и др.