Los nanocompuestos en capas que contienen estructuras diminutas mezcladas en una matriz de polímero están ganando uso comercial, pero su naturaleza compleja puede ocultar defectos que afectan el desempeño.

Ahora los investigadores han desarrollado un sistema capaz de detectar tales defectos usando un método de escaneo de "sonda Kelvin" con un microscopio de fuerza atómica. La capacidad de mirar debajo de la superficie de los nanocomposites representa una nueva herramienta potencial de control de calidad para la industria.

"Esto es importante para cualquier cosa que tenga polímeros que contengan estructuras pequeñas, incluida la energía fotovoltaica para células solares, dispositivos conductores orgánicos para electrónica flexible, materiales de la batería, etc. "dijo Arvind Raman, el profesor Robert V. Adams de Ingeniería Mecánica y decano asociado del Programa de Ingeniería Global de la Universidad Purdue.

Los nanocompuestos son materiales en capas que contienen varias estructuras, como nanotubos de carbono, láminas ultrafinas de carbono llamadas grafeno, nanopartículas de oro y nanofibras de grafito, mezclado en una matriz de polímero.

"Necesitamos una herramienta que nos permita ver cómo se distribuyen estos nanoobjetos dentro de una matriz polimérica, ", Dijo Raman." Puedes mirar la película completa y decir:'Bien, no funciona como se anuncia, 'pero no sabes por qué. Esto le permite ver debajo de la superficie de una manera no destructiva ".

Los hallazgos aparecieron en la edición de febrero de ACS Nano , publicado por la American Chemical Society. El artículo fue escrito por el estudiante de doctorado Octavio Alejandro Castañeda-Uribe, de la Universidad de los Andes (Uniandes) en Colombia; Ronald Reifenberger, un profesor de física de Purdue; Raman; y Alba Avila, profesor asociado del Departamento Eléctrico y Electrónico de la Uniandes afiliado al centro de microelectrónica (CMUA) de ese lugar.

El método de la sonda Kelvin se ha utilizado para mapear la carga eléctrica en las superficies de los materiales. Sin embargo, ahora los investigadores han descubierto que el método se puede utilizar para mirar debajo de la superficie, detección de redes tridimensionales de nanoestructuras incrustadas en el interior de la matriz del polímero.

"Esto nos permite correlacionar estas redes con las propiedades multifuncionales de los nanocomposites, "Dijo Ávila.

Un microscopio de fuerza atómica utiliza una pequeña sonda vibratoria llamada voladizo para producir información sobre materiales y superficies en la escala de nanómetros. o mil millonésimas de metro. El instrumento permite a los científicos "ver" objetos mucho más pequeños de lo posible utilizando microscopios ópticos. En el barrido de la sonda Kelvin, se aplica una corriente alterna a la muestra que se está estudiando, haciendo que la sonda vibre a una cierta frecuencia, y luego se aplica una corriente continua a la sonda, anulando parcialmente el efecto de la corriente alterna.

"Anulas la frecuencia principal, pero resulta que hay una segunda frecuencia que no se anula, "Raman dijo." En cierto modo silencia la señal principal, pero hay un tono más alto que permanece en el voladizo, y ese tono más alto es muy sensible a lo que hay debajo de la superficie ".

Los nuevos hallazgos identifican con precisión a qué profundidad y a través de cuántas capas el método puede sondear un material. Los investigadores desarrollaron métodos computacionales y una técnica experimental que hizo posible la herramienta.

"Si el nanocompuesto no funciona bien, tienes que poder mirar dentro, "Dijo Raman." Tienes que hacer un control de calidad a nanoescala ".

Idealmente, los nanotubos y otras nanoestructuras deberían estar bien distribuidos por todo el nanocompuesto, formando una red continua. Sin embargo, en cambio, las estructuras tienden a agruparse, obstaculizar el rendimiento.

"Entonces, ahora podemos ver dónde se agrupan y dónde no porque se puede ver debajo de la superficie sin destruir la muestra, " él dijo.

El método también permite a los investigadores determinar la orientación, conectividad y distribución del tamaño, o la variación de tamaño de partícula a partícula, que es importante para el control de calidad.

Las imágenes creadas con el método muestran nanotubos de carbono parecidos a gusanos debajo de la superficie de un compuesto. Los investigadores agregaron capas sistemáticamente y demostraron que el método es capaz de detectar estructuras hasta una profundidad de aproximadamente 400 nanómetros.

Purdue trabajó con investigadores de Uniandes en Bogotá a través del Instituto Colombia-Purdue, que fomenta las alianzas entre Purdue e instituciones en Colombia, incluidas las universidades, compañías, ministerios gubernamentales y organizaciones no gubernamentales.

"Es un buen ejemplo de cómo se unen equipos internacionales para lograr algo realmente bueno, "Dijo Raman.

Los investigadores de Uniandes participaron en el procesamiento de las películas de nanocompuestos y también en el desarrollo de la técnica experimental. El procesamiento de películas de nanocompuestos y el desarrollo de la técnica experimental del microscopio de fuerza atómica fueron llevados a cabo por un equipo del Centro de Nanotecnología Birck de Purdue. Los cálculos se realizaron en Uniandes.

“Esta colaboración hizo posible brindar capacitación en investigación y acceso a instalaciones en ambas universidades para investigación avanzada enfocada en explorar los límites de detección de profundidad de las técnicas de caracterización basadas en microscopía de fuerza atómica, ", Dijo Ávila." Estos límites son necesarios para detectar con confianza, caracterizar, y cuantificar la ubicación de las redes de nanomateriales dentro de una matriz de polímero, permitiendo la reconstrucción de imágenes en 3D de nanocomposites y una predicción más confiable, estimación y correlación de las propiedades de los nanocomposites ".