含有混合到聚合物基质中的微小结构的层状纳米复合材料正在商业上使用，但它们的复杂性质可以隐藏影响性能的缺陷，现在，研究人员已经开发出一种系统，能够使用原子力显微镜的“开尔文探针”扫描方法检测这些缺陷。低于纳米复合材料表面的能力代表了一种潜在的工业新质量控制工具。，这对于任何含有小结构的聚合物都很重要，包括用于太阳能电池的光伏电池，用于柔性电子设备的有机导电设备，电池材料等，”Robert V. Adams机械工程教授兼副院长Arvind Raman说。普渡大学全球工程专业，纳米复合材料是包含各种结构的层状材料，例如碳纳米管，称为石墨烯的超薄碳片，金纳米颗粒和石墨纳米纤维，混合到聚合物基质中，我们需要一种工具，让我们可以看到这些纳米物体如何在聚合物基质中分布，”拉曼说。“你可以看看整部电影并说，'好吧，它没有像宣传的那样表现'，但你不知道为什么。这可以让你以非破坏性的方式看到表面。
研究结果发表在美国化学学会出版的ACS Nano的二月刊中。该论文由哥伦比亚的Universidad de los Andes（Uniandes）的博士生OctavioAlejandroCasta?eda-Uribe撰写;普渡大学物理学教授Ronald Reifenberger;拉曼;和Alba Avila，Uniandes电气和电子部门的副教授，隶属于那里的微电子中心（CMUA），开尔文探针方法已被用于绘制材料表面上的电荷。然而，现在研究人员已经发现该方法可用于观察表面下方，检测嵌入聚合物基质深处的纳米结构的三维网络，这使我们能够将这些网络与纳米复合材料的多功能特性联系起来，”阿维拉说。
原子力显微镜使用称为悬臂的微小振动探针来产生关于纳米级或十亿分之一米的材料和表面的信息。该仪器使科学家能够使用光学显微镜“看到”远小于物体的物体。在开尔文探针扫描中，将交流电施加到正在研究的样品上，使探针以特定频率振动，然后向探针施加直流电，部分地抵消交流电的影响，你使主频率无效，但事实证明第二频率并未消失，”拉曼说。“你可以将主要信号静音，但悬臂中仍有较高的音调，而较高的音调对表面下方的声音非常敏感，新发现精确地确定了该方法可以探测到材料的深度和层数。研究人员开发了计算方法和实验技术，使该工具成为可能。
如果纳米复合材料不能很好地工作，你必须能够看到内部，”拉曼说。“你必须在纳米尺度上进行质量控制，理想情况下，纳米管和其他纳米结构应在整个纳米复合材料中均匀分布，形成连续的网络。然而，结构往往聚集在一起，阻碍了性能，所以，现在我们可以看到它们聚集在哪里以及它们不在哪里，因为你可以在不破坏样品的情况下看到表面下方，”他说，该方法还允许研究人员确定方向，连通性和尺寸分布，或颗粒与颗粒之间的尺寸变化，这对质量控制很重要，使用该方法创建的图像显示复合材料表面下方的蠕虫状碳纳米管。研究人员系统地添加了层，并表明该方法能够检测深度约为400纳米的结构。
普渡大学通过哥伦比亚 - 普渡学院与波哥大的Uniandes的研究人员合作，该学院促进普渡大学与哥伦比亚各大学，包括大学，公司，政府部门和非政府组织的合作，拉曼说：“这是一个很好的例子，说明你如何将国际团队聚集在一起，以取得非常好的成就，Uniandes研究人员参与了纳米复合薄膜的加工，并开发了实验技术。Purdue's Birck纳米技术中心的一个团队进行了纳米复合薄膜加工和原子力显微镜实验技术的开发。计算在Uniandes进行，这项合作使得有可能为两所大学提供研究培训和设施，以进行高级研究，重点是探索基于原子力显微镜的表征技术的深度检测限，”阿维拉说。“需要这些限制来自信地检测，表征和量化聚合物基质中纳米材料网络的位置，允许纳米复合材料的三维图像重建和纳米复合材料性质的更可靠的预测，估计和相关性。
