Nas últimas décadas, A microscopia de força atômica (AFM) surgiu como uma ferramenta poderosa para imagens de superfícies em resoluções surpreendentes - frações de nanômetro em alguns casos. Mas suponha que você esteja mais preocupado com o que está abaixo da superfície. Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia mostraram que, nas circunstâncias certas, instrumentos de ciências de superfície, como o AFM, podem fornecer dados valiosos sobre as condições do subsolo.

Seu trabalho * publicado recentemente com colegas da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA), Instituto Nacional de Aeroespacial, A University of Virginia e a University of Missouri podem ser particularmente úteis no projeto e fabricação de materiais compósitos nanoestruturados. Os engenheiros estão estudando materiais avançados que misturam nanotubos de carbono em uma base de polímero para uma ampla variedade de aplicações de alto desempenho devido às propriedades únicas, como força superior e condutância elétrica, adicionado pelos nanotubos. O material escolhido pela equipe de pesquisa como seu caso de teste, por exemplo, está sendo estudado pela NASA para uso em atuadores de espaçonaves porque pode superar as cerâmicas mais pesadas agora usadas.

Mas, diz o cientista de materiais do NIST Minhua Zhao, "uma das questões críticas a estudar é como os nanotubos de carbono são distribuídos dentro do composto sem realmente quebrar a peça. Existem muito poucas técnicas disponíveis para este tipo de estudo não destrutivo." Zhao e seus colegas decidiram tentar uma aplicação incomum de microscopia de força atômica.

O AFM é, na verdade, uma família de instrumentos que trabalham com o mesmo princípio básico:uma ponta delicada em forma de agulha paira um pouco acima da superfície a ser perfilada e responde à fraqueza, forças de nível atômico. Um AFM típico detecta as chamadas "forças de van der Waals, "forças de alcance muito curto exercidas por moléculas ou átomos. Isso restringe o instrumento à superfície das amostras.

Em vez de, a equipe usou um AFM projetado para usar o mais forte, força eletrostática de longo alcance (tecnicamente um EFM), medir a interação entre a ponta da sonda e uma placa carregada sob a amostra composta. O que o faz funcionar, diz Zhao, é que os nanotubos são condutores elétricos com alta constante dielétrica (uma medida de como o material afeta um campo elétrico), mas o polímero é um material de baixa constante dielétrica. Essas enormes diferenças constantes dielétricas entre os nanotubos e o polímero são a chave para o sucesso desta técnica, e com tensões escolhidas corretamente, os nanotubos aparecem como fibras finamente detalhadas dispersas abaixo da superfície do composto.

O objetivo, de acordo com Zhao, é controlar o processo bem o suficiente para permitir medições quantitativas. Atualmente, o grupo pode discriminar diferentes concentrações de nanotubos de carbono no polímero, determinar redes condutoras dos nanotubos e mapear a distribuição do potencial elétrico dos nanotubos abaixo da superfície. Mas a medição é bastante complicada, muitos fatores, incluindo a forma da sonda e até a umidade afetam a força eletrostática.

A equipe usou uma ponta de sonda especialmente projetada e um patenteado, Câmara de umidade AFM projetada pelo NIST. ** Um interessante, efeito ainda não totalmente compreendido, diz Zhao, é que aumentar a tensão entre a sonda e a amostra em algum ponto faz com que o contraste da imagem se inverta, regiões escuras tornando-se claras e vice-versa. A equipe está estudando o mecanismo dessa inversão de contraste.

"Ainda estamos otimizando esta técnica EFM para imagens de subsuperfície, "diz Zhao." Se a profundidade das nanoestruturas localizadas na superfície do filme puder ser determinada quantitativamente, esta técnica será uma ferramenta poderosa para imagens não destrutivas de subsuperfície de nanoestruturas dielétricas altas em uma matriz dielétrica baixa, com uma ampla gama de aplicações em nanotecnologia. "