Durante las últimas dos décadas, La microscopía de fuerza atómica (AFM) ha surgido como una herramienta poderosa para obtener imágenes de superficies a resoluciones asombrosas, fracciones de nanómetros en algunos casos. Pero supongamos que está más preocupado por lo que hay debajo de la superficie. Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología han demostrado que, en las circunstancias adecuadas, Los instrumentos científicos de superficie, como el AFM, pueden proporcionar datos valiosos sobre las condiciones del subsuelo.

Su trabajo recientemente publicado * con colegas de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), Instituto Nacional de Aeroespacial, La Universidad de Virginia y la Universidad de Missouri podrían ser particularmente útiles en el diseño y fabricación de materiales compuestos nanoestructurados. Los ingenieros están estudiando materiales avanzados que mezclan nanotubos de carbono en una base de polímero para una amplia variedad de aplicaciones de alto rendimiento debido a sus propiedades únicas, como fuerza superior y conductancia eléctrica, añadido por los nanotubos. El material elegido por el equipo de investigación como su caso de prueba, por ejemplo, está siendo estudiado por la NASA para su uso en actuadores de naves espaciales porque puede superar a las cerámicas más pesadas que se utilizan en la actualidad.

Pero, dice el científico de materiales del NIST Minhua Zhao, "Uno de los temas críticos a estudiar es cómo se distribuyen los nanotubos de carbono dentro del compuesto sin romper realmente la pieza. Hay muy pocas técnicas disponibles para este tipo de estudio no destructivo". Zhao y sus colegas decidieron probar una aplicación inusual de microscopía de fuerza atómica.

El AFM es en realidad una familia de instrumentos que funcionan con el mismo principio básico:una delicada punta con forma de aguja se cierne sobre la superficie para perfilarla y responde a los débiles, Fuerzas a nivel atómico. Un AFM típico detecta las llamadas "fuerzas de van der Waals, "Fuerzas de muy corto alcance ejercidas por moléculas o átomos. Esto restringe el instrumento a la superficie de las muestras".

En lugar de, el equipo utilizó un AFM diseñado para utilizar el más fuerte, fuerza electrostática de mayor alcance (técnicamente un EFM), medir la interacción entre la punta de la sonda y una placa cargada debajo de la muestra compuesta. ¿Qué lo hace funcionar? dice Zhao, es que los nanotubos son conductores eléctricos con alta constante dieléctrica (una medida de cómo el material afecta un campo eléctrico), pero el polímero es un material de baja constante dieléctrica. Estas enormes diferencias de constantes dieléctricas entre los nanotubos y el polímero son la clave del éxito de esta técnica. y con voltajes elegidos correctamente, los nanotubos aparecen como fibras finamente detalladas dispersas debajo de la superficie del compuesto.

La meta, según Zhao, es controlar el proceso lo suficientemente bien como para permitir mediciones cuantitativas. En la actualidad, el grupo puede discriminar diferentes concentraciones de nanotubos de carbono en el polímero, determinar las redes conductoras de los nanotubos y mapear la distribución del potencial eléctrico de los nanotubos debajo de la superficie. Pero la medición es bastante complicada, muchos factores, incluyendo la forma de la sonda e incluso la humedad afectan la fuerza electrostática.

El equipo utilizó una punta de sonda especialmente diseñada y un Cámara de humedad AFM diseñada por NIST. ** Una interesante, efecto aún no entendido completamente, dice Zhao, es que aumentar el voltaje entre la sonda y la muestra en algún punto hace que el contraste de la imagen se invierta, las regiones oscuras se vuelven claras y viceversa. El equipo está estudiando el mecanismo de tal inversión de contraste.

"Todavía estamos optimizando esta técnica EFM para imágenes del subsuelo, ", dice Zhao." Si la profundidad de las nanoestructuras ubicadas desde la superficie de la película se puede determinar cuantitativamente, esta técnica será una herramienta poderosa para la obtención de imágenes subterráneas no destructivas de nanoestructuras de alto dieléctrico en una matriz de bajo dieléctrico, con una amplia gama de aplicaciones en nanotecnología ".