(PhysOrg.com) - Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han demostrado una técnica de medición que determina de manera confiable tres propiedades mecánicas fundamentales de películas casi a nanoescala. La técnica, que destaca el desafío de realizar mediciones mecánicas en un objeto con al menos una dimensión comparable al tamaño de un virus, debe permitir un mejor diseño e ingeniería para una variedad de tecnologías de película delgada, particularmente membranas de ósmosis inversa para purificación de agua.

Membranas de ósmosis inversa, explica el investigador del NIST Chris Stafford, son un desafío interesante para el científico de materiales. Las membranas se utilizan en sistemas de purificación de agua:una película de poliamida de no más de 200 nanómetros de espesor respaldada por una capa de soporte porosa. El agua que contiene sales disueltas u otros contaminantes se fuerza contra un lado de la membrana a presiones sustanciales de hasta aproximadamente mil psi (aproximadamente 7 megapascales), y sale por el otro lado dejando atrás la mayoría de las impurezas. La integridad mecánica de la membrana es obviamente esencial, no puede rasgarse ni desarrollar fugas por orificios bajo la presión, pero los ingenieros carecían de una buena manera de medir la resistencia y el punto de ruptura. bajo estrés, de estas películas extremadamente delgadas.

La técnica NIST se basa en un trabajo anterior del equipo que demostró que se puede determinar de manera confiable el módulo de Young (una medida de rigidez o elasticidad) para películas delgadas y ultrafinas uniéndola a una pieza de caucho de silicona. y luego estirándolo con cuidado en una dirección. La película desarrollará un patrón de arrugas regularmente espaciado (pruébelo con un trozo de envoltura de plástico), y el espaciamiento de las arrugas, la cantidad de estiramiento y algunas matemáticas le dan el módulo. En el nuevo trabajo básicamente tiran más fuerte hasta que la película comienza a desarrollar pequeñas grietas transversales a la tensión. Estos tambien resulta, ocurren en patrones regulares, y el espaciamiento se puede analizar para determinar tanto la resistencia a la fractura como la deformación inicial de la fractura, o el punto de falla, de la película.

Aplicando su técnica para estudiar el efecto del cloro en las membranas de ósmosis inversa, el equipo descubrió un rompecabezas. Se sabe que el cloro en el agua causa un deterioro progresivo en el rendimiento de la membrana, generalmente se piensa que es el resultado de un ataque químico prolongado por el cloro. No tan, según el equipo de NIST. "Químicamente, el ataque del cloro es bastante rápido, ", dice Stafford. El análisis químico espectroscópico mostró que todo el daño químico de la exposición al cloro ocurre en las primeras horas. Las pruebas que utilizan el método de arrugas y grietas, sin embargo, muestran que las propiedades mecánicas se degradan continuamente:el material se vuelve cada vez más rígido, frágil y débil, hasta la mayor duración probada, 10 días. "Puede ser un efecto de envejecimiento en los polímeros, ", dice Stafford." Seguimos estudiando eso para averiguar qué está pasando allí, porque es un verdadero desafío de medición entrar en esa escala de longitud para seguir la estructura a lo largo del tiempo ".

El proyecto es parte de un programa más amplio del NIST para estudiar cuestiones de materiales relacionados con tecnologías sostenibles como la purificación de agua, pero el equipo de investigación señala que el método de arrugas y grietas en sí mismo sería ampliamente aplicable a los estudios mecánicos de casi cualquier película delgada a nanoescala en campos tan diversos como la piel artificial, electrónica flexible, sensores de película fina, pilas de combustible y fotovoltaica.