Nanocompósitos em camadas contendo estruturas minúsculas misturadas em uma matriz de polímero estão ganhando uso comercial, mas sua natureza complexa pode ocultar defeitos que afetam o desempenho.

Agora, os pesquisadores desenvolveram um sistema capaz de detectar esses defeitos usando um método de varredura "sonda Kelvin" com um microscópio de força atômica. A capacidade de olhar abaixo da superfície dos nanocompósitos representa uma nova ferramenta de controle de qualidade potencial para a indústria.

"Isso é importante para qualquer coisa que tenha polímeros que contenham pequenas estruturas, incluindo fotovoltaicos para células solares, dispositivos condutores orgânicos para eletrônicos flexíveis, materiais da bateria e assim por diante, "disse Arvind Raman, o professor Robert V. Adams de Engenharia Mecânica e reitor associado do Programa de Engenharia Global da Purdue University.

Nanocompósitos são materiais em camadas contendo várias estruturas, como nanotubos de carbono, folhas ultrafinas de carbono chamadas grafeno, nanopartículas de ouro e nanofibras de grafite, misturado em uma matriz de polímero.

"Precisamos de uma ferramenta que nos permita ver como esses nanoobjetos são distribuídos dentro de uma matriz polimérica, "Raman disse." Você pode olhar para o filme inteiro e dizer:'Nós vamos, não está funcionando como anunciado, 'mas você não sabe por quê. Isso permite que você veja sob a superfície de uma maneira não destrutiva. "

As descobertas apareceram na edição de fevereiro da ACS Nano , publicado pela American Chemical Society. O artigo é de autoria do estudante de doutorado Octavio Alejandro Castañeda-Uribe, da Universidad de los Andes (Uniandes) na Colômbia; Ronald Reifenberger, um professor de física da Purdue; Raman; e Alba Avila, professor associado do Departamento de Elétrica e Eletrônica da Uniandes, afiliado ao centro de microeletrônica (CMUA) de lá.

O método da sonda Kelvin foi usado para mapear a carga elétrica nas superfícies dos materiais. Contudo, agora os pesquisadores descobriram que o método pode ser usado para olhar abaixo da superfície, detectar redes tridimensionais de nanoestruturas incorporadas profundamente dentro da matriz polimérica.

"Isso nos permite correlacionar essas redes com as propriedades multifuncionais dos nanocompósitos, "Avila disse.

Um microscópio de força atômica usa uma pequena sonda vibratória chamada cantilever para produzir informações sobre materiais e superfícies na escala de nanômetros, ou bilionésimos de um metro. O instrumento permite que os cientistas "vejam" objetos muito menores do que o possível usando microscópios de luz. Na varredura da sonda Kelvin, uma corrente alternada é aplicada à amostra que está sendo estudada, fazendo com que a sonda vibre em uma certa frequência, e, em seguida, uma corrente contínua é aplicada à sonda, anulando parcialmente o efeito da corrente alternada.

"Você anula a frequência principal, mas acontece que há uma segunda frequência que não é anulada, - disse Raman. - Você meio que silenciou o sinal principal, mas há um tom mais alto que permanece no cantilever, e esse tom mais alto é muito sensível ao que está por baixo da superfície. "

As novas descobertas identificam precisamente com que profundidade e por quantas camadas o método pode sondar um material. Os pesquisadores desenvolveram métodos computacionais e uma técnica experimental que tornaram a ferramenta possível.

"Se o nanocompósito não funcionar bem, você tem que ser capaz de olhar para dentro, "Raman disse." Você tem que fazer o controle de qualidade em nanoescala. "

Os nanotubos e outras nanoestruturas devem ser idealmente bem distribuídos por todo o nanocompósito, formando uma rede contínua. Contudo, as estruturas tendem a se agrupar em vez disso, dificultando o desempenho.

"Então, agora podemos ver onde eles estão se agrupando e onde não estão, porque você pode ver abaixo da superfície sem destruir a amostra, " ele disse.

O método também permite que os pesquisadores determinem a orientação, conectividade e distribuição de tamanho, ou a variação de tamanho de partícula para partícula, o que é importante para o controle de qualidade.

Imagens criadas com o método mostram nanotubos de carbono semelhantes a vermes abaixo da superfície de um composto. Os pesquisadores adicionaram camadas sistematicamente e mostraram que o método é capaz de detectar estruturas até uma profundidade de cerca de 400 nanômetros.

Purdue trabalhou com pesquisadores da Uniandes em Bogotá por meio do Instituto Colombia-Purdue, que promove parcerias entre Purdue e instituições na Colômbia, incluindo universidades, empresas, ministérios governamentais e organizações não governamentais.

"É um bom exemplo de como você reúne equipes internacionais para realizar algo realmente bom, "Raman disse.

Os pesquisadores da Uniandes estiveram envolvidos no processamento dos filmes nanocompósitos e também no desenvolvimento da técnica experimental. O processamento do filme nanocompósito e o desenvolvimento da técnica experimental do microscópio de força atômica foram realizados por uma equipe do Centro de Nanotecnologia Birck de Purdue. Os cálculos foram feitos na Uniandes.

"Esta colaboração tornou possível fornecer treinamento em pesquisa e acesso a instalações em ambas as universidades para pesquisas avançadas focadas na exploração de limites de detecção de profundidade de técnicas de caracterização baseadas em microscopia de força atômica, "Avila disse." Esses limites são necessários para detectar com segurança, caracterizar, e quantificar a localização das redes de nanomateriais dentro de uma matriz polimérica, permitindo a reconstrução de imagem 3-D de nanocompósitos e uma previsão mais confiável, estimativa e correlação das propriedades dos nanocompósitos. "