Negli ultimi due decenni, La microscopia a forza atomica (AFM) è emersa come un potente strumento per l'imaging di superfici a risoluzioni sorprendenti, in alcuni casi frazioni di nanometro. Ma supponiamo che tu sia più interessato a ciò che si trova sotto la superficie? I ricercatori del National Institute of Standards and Technology hanno dimostrato che nelle giuste circostanze, gli strumenti di scienze della superficie come l'AFM possono fornire dati preziosi sulle condizioni del sottosuolo.

Il loro lavoro pubblicato di recente* con i colleghi della National Aeronautics and Space Administration (NASA), Istituto Nazionale di Aerospazio, L'Università della Virginia e l'Università del Missouri potrebbero essere particolarmente utili nella progettazione e produzione di materiali compositi nanostrutturati. Gli ingegneri stanno studiando materiali avanzati che mescolano nanotubi di carbonio in una base polimerica per un'ampia varietà di applicazioni ad alte prestazioni a causa delle proprietà uniche, come forza superiore e conduttanza elettrica, aggiunti dai nanotubi. Il materiale scelto dal gruppo di ricerca come banco di prova, Per esempio, è stato studiato dalla NASA per l'uso in attuatori di veicoli spaziali perché potrebbe superare le ceramiche più pesanti ora utilizzate.

Ma, dice lo scienziato dei materiali del NIST Minhua Zhao, "Una delle questioni critiche da studiare è come i nanotubi di carbonio sono distribuiti all'interno del composito senza effettivamente rompere la parte. Ci sono pochissime tecniche disponibili per questo tipo di studio non distruttivo". Zhao e i suoi colleghi hanno deciso di provare un'applicazione insolita della microscopia a forza atomica.

L'AFM è in realtà una famiglia di strumenti che lavorano sullo stesso principio di base:una delicata punta aghiforme si libra appena sopra la superficie da profilare e risponde a deboli, forze di livello atomico. Un tipico AFM rileva le cosiddette "forze di van der Waals, " Forze a brevissimo raggio esercitate da molecole o atomi. Ciò limita lo strumento alla superficie dei campioni.

Anziché, il team ha utilizzato un AFM progettato per utilizzare il più forte, forza elettrostatica a lungo raggio (tecnicamente un EFM), misurare l'interazione tra la punta della sonda e una piastra carica sotto il campione composito. Cosa lo fa funzionare, dice Zhao, è che i nanotubi sono conduttori elettrici con elevata costante dielettrica (una misura di come il materiale influenza un campo elettrico), ma il polimero è un materiale a bassa costante dielettrica. Tali enormi differenze di costante dielettrica tra i nanotubi e il polimero sono la chiave del successo di questa tecnica, e con tensioni opportunamente scelte i nanotubi si presentano come fibre finemente dettagliate disperse sotto la superficie del composito.

L'obiettivo. il gol, secondo Zhao, è controllare il processo abbastanza bene da consentire misurazioni quantitative. Attualmente il gruppo è in grado di discriminare diverse concentrazioni di nanotubi di carbonio nel polimero, determinare le reti conduttive dei nanotubi e mappare la distribuzione del potenziale elettrico dei nanotubi sotto la superficie. Ma la misurazione è piuttosto complicata, molti fattori, compresa la forma della sonda e persino l'umidità influenzano la forza elettrostatica.

Il team ha utilizzato una punta della sonda appositamente progettata e un Camera di umidità AFM progettata dal NIST.** Un interessante, effetto non ancora del tutto compreso, dice Zhao, è che l'aumento della tensione tra la sonda e il campione ad un certo punto provoca l'inversione del contrasto dell'immagine, regioni scure che diventano chiare e viceversa. Il team sta studiando il meccanismo di tale inversione del contrasto.

"Stiamo ancora ottimizzando questa tecnica EFM per l'imaging del sottosuolo, " dice Zhao. "Se la profondità delle nanostrutture situate dalla superficie del film può essere determinata quantitativamente, questa tecnica sarà un potente strumento per l'imaging non distruttivo del sottosuolo di nanostrutture ad alto dielettrico in una matrice a basso dielettrico, con una vasta gamma di applicazioni in nanotecnologia."