I nanocompositi stratificati contenenti minuscole strutture mescolate in una matrice polimerica stanno guadagnando uso commerciale, ma la loro natura complessa può nascondere difetti che influiscono sulle prestazioni.

Ora i ricercatori hanno sviluppato un sistema in grado di rilevare tali difetti utilizzando un metodo di scansione "sonda Kelvin" con un microscopio a forza atomica. La capacità di guardare sotto la superficie dei nanocompositi rappresenta un potenziale nuovo strumento di controllo della qualità per l'industria.

"Questo è importante per qualsiasi cosa che abbia polimeri che contengono piccole strutture, compreso il fotovoltaico per le celle solari, dispositivi conduttori organici per elettronica flessibile, materiali della batteria e così via, " disse Arvind Raman, il Robert V. Adams Professor of Mechanical Engineering e decano associato per il Global Engineering Program presso la Purdue University.

I nanocompositi sono materiali stratificati contenenti varie strutture come nanotubi di carbonio, fogli ultrasottili di carbonio chiamati grafene, nanoparticelle d'oro e nanofibre di grafite, miscelato in una matrice polimerica.

"Abbiamo bisogno di uno strumento che ci permetta di vedere come questi nano-oggetti sono distribuiti all'interno di una matrice polimerica, " ha detto Raman. "Potresti guardare l'intero film e dire, 'Bene, non funziona come pubblicizzato, ' ma non sai perché. Questo ti permette di vedere sotto la superficie in modo non distruttivo."

I risultati sono apparsi nel numero di febbraio di ACS Nano , pubblicato dall'American Chemical Society. Il documento è stato scritto dal dottorando Octavio Alejandro Castañeda-Uribe, dall'Universidad de los Andes (Uniandes) in Colombia; Ronald Reifenberger, un professore di fisica alla Purdue; Raman; e Alba Avila, un professore associato nel dipartimento di elettricità ed elettronica di Uniandes che è affiliato con il centro di microelettronica (CMUA) lì.

Il metodo della sonda Kelvin è stato utilizzato per mappare la carica elettrica sulle superfici dei materiali. Però, ora i ricercatori hanno scoperto che il metodo può essere utilizzato per guardare sotto la superficie, rilevamento di reti tridimensionali di nanostrutture incorporate in profondità all'interno della matrice polimerica.

"Questo ci permette di correlare queste reti con le proprietà multifunzionali dei nanocompositi, " ha detto Avila.

Un microscopio a forza atomica utilizza una minuscola sonda vibrante chiamata cantilever per fornire informazioni su materiali e superfici sulla scala dei nanometri, o miliardesimi di metro. Lo strumento consente agli scienziati di "vedere" oggetti molto più piccoli del possibile utilizzando microscopi ottici. Nella scansione della sonda Kelvin viene applicata una corrente alternata al campione in esame, facendo vibrare la sonda ad una certa frequenza, e quindi viene applicata una corrente continua alla sonda, annullando parzialmente l'effetto della corrente alternata.

"Annulli la frequenza principale, ma si scopre che c'è una seconda frequenza che non è annullata, " Disse Raman. "Tu disattivi il segnale principale, ma c'è un tono più alto che rimane nel cantilever, e quel tono più alto è molto sensibile a ciò che c'è sotto la superficie."

Le nuove scoperte identificano con precisione quanto profondamente e attraverso quanti strati il ​​metodo può sondare un materiale. I ricercatori hanno sviluppato metodi computazionali e una tecnica sperimentale che ha reso possibile lo strumento.

"Se il nanocomposito non funziona bene, devi saperti guardare dentro, " Ha detto Raman. "Devi fare il controllo di qualità su scala nanometrica".

I nanotubi e le altre nanostrutture dovrebbero idealmente essere ben distribuiti in tutto il nanocomposito, formare una rete continua. Però, le strutture tendono invece ad ammassarsi, ostacolando le prestazioni.

"Così, ora possiamo vedere dove si aggregano e dove no perché puoi vedere sotto la superficie senza distruggere il campione, " Egli ha detto.

Il metodo consente inoltre ai ricercatori di determinare l'orientamento, connettività e distribuzione dimensionale, o la variazione di dimensione da particella a particella, che è importante per il controllo di qualità.

Le immagini create con il metodo mostrano nanotubi di carbonio simili a vermi sotto la superficie di un composito. I ricercatori hanno aggiunto sistematicamente strati e hanno dimostrato che il metodo è in grado di rilevare strutture fino a una profondità di circa 400 nanometri.

Purdue ha lavorato con i ricercatori di Uniandes a Bogotá attraverso l'Istituto Colombia-Purdue, che favorisce le collaborazioni tra Purdue e le istituzioni in Colombia, comprese le università, aziende, ministeri e organizzazioni non governative.

"È un buon esempio di come si riuniscono squadre internazionali per ottenere qualcosa di veramente buono, " ha detto Raman.

I ricercatori di Uniandes sono stati coinvolti nell'elaborazione dei film nanocompositi e anche nello sviluppo della tecnica sperimentale. L'elaborazione del film nanocomposito e lo sviluppo della tecnica sperimentale del microscopio a forza atomica sono stati eseguiti da un team del Birck Nanotechnology Center di Purdue. I calcoli sono stati effettuati presso Uniandes.

"Questa collaborazione ha permesso di fornire formazione alla ricerca e accesso alle strutture di entrambe le università per la ricerca avanzata incentrata sull'esplorazione dei limiti di rilevamento della profondità delle tecniche di caratterizzazione basate sulla microscopia a forza atomica, " ha detto Avila. "Questi limiti sono necessari per rilevare con sicurezza, caratterizzare, e quantificare la posizione delle reti di nanomateriali all'interno di una matrice polimerica, consentendo la ricostruzione di immagini 3D di nanocompositi e una previsione più affidabile, stima e correlazione delle proprietà dei nanocompositi."