Au cours des deux dernières décennies, La microscopie à force atomique (AFM) est devenue un outil puissant pour l'imagerie de surfaces à des résolutions étonnantes, des fractions d'un nanomètre dans certains cas. Mais supposons que vous soyez plus préoccupé par ce qui se trouve sous la surface ? Des chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie ont montré que, dans les bonnes circonstances, les instruments scientifiques de surface tels que l'AFM peuvent fournir des données précieuses sur les conditions du sous-sol.

Leurs travaux récemment publiés* avec des collègues de la National Aeronautics and Space Administration (NASA), Institut national de l'aérospatiale, L'Université de Virginie et l'Université du Missouri pourraient être particulièrement utiles dans la conception et la fabrication de matériaux composites nanostructurés. Les ingénieurs étudient des matériaux avancés qui mélangent des nanotubes de carbone dans une base polymère pour une grande variété d'applications hautes performances en raison de leurs propriétés uniques, comme une résistance supérieure et une conductance électrique, ajouté par les nanotubes. Le matériau choisi par l'équipe de recherche comme cas de test, par exemple, est à l'étude par la NASA pour une utilisation dans les actionneurs d'engins spatiaux, car il pourrait surpasser les céramiques plus lourdes actuellement utilisées.

Mais, dit Minhua Zhao, scientifique des matériaux du NIST, "L'un des problèmes critiques à étudier est de savoir comment les nanotubes de carbone sont distribués dans le composite sans réellement casser la pièce. Il existe très peu de techniques disponibles pour ce type d'étude non destructive." Zhao et ses collègues ont décidé d'essayer une application inhabituelle de la microscopie à force atomique.

L'AFM est en fait une famille d'instruments fonctionnant sur le même principe de base :une fine pointe en forme d'aiguille plane juste au-dessus de la surface à profiler et répond aux faibles, forces au niveau atomique. Un AFM typique détecte ce qu'on appelle les "forces de van der Waals, " des forces à très courte portée exercées par des molécules ou des atomes. Cela restreint l'instrument à la surface des échantillons.

Au lieu, l'équipe a utilisé un AFM conçu pour utiliser le plus fort, force électrostatique à plus longue portée (techniquement un EFM), mesurer l'interaction entre la pointe de la sonde et une plaque chargée sous l'échantillon composite. Qu'est-ce qui fait que ça marche, dit Zhao, est que les nanotubes sont des conducteurs électriques avec une constante diélectrique élevée (une mesure de la façon dont le matériau affecte un champ électrique), mais le polymère est un matériau à faible constante diélectrique. Ces énormes différences de constante diélectrique entre les nanotubes et le polymère sont la clé du succès de cette technique, et avec des tensions correctement choisies, les nanotubes se présentent sous la forme de fibres finement détaillées dispersées sous la surface du composite.

Le but, selon Zhao, est de contrôler suffisamment le processus pour permettre des mesures quantitatives. À l'heure actuelle, le groupe peut discriminer différentes concentrations de nanotubes de carbone dans le polymère, déterminer les réseaux conducteurs des nanotubes et cartographier la distribution de potentiel électrique des nanotubes sous la surface. Mais la mesure est assez délicate, De nombreux facteurs, y compris la forme de la sonde et même l'humidité affectent la force électrostatique.

L'équipe a utilisé une pointe de sonde spécialement conçue et un Chambre humide AFM conçue par le NIST.** Une intéressante, effet pas encore entièrement compris, dit Zhao, est que l'augmentation de la tension entre la sonde et l'échantillon à un moment donné provoque l'inversion du contraste de l'image, les régions sombres deviennent claires et vice versa. L'équipe étudie le mécanisme d'une telle inversion de contraste.

« Nous optimisons toujours cette technique EFM pour l'imagerie du sous-sol, " dit Zhao. " Si la profondeur des nanostructures situées à partir de la surface du film peut être déterminée quantitativement, cette technique sera un outil puissant pour l'imagerie souterraine non destructive de nanostructures à haute diélectrique dans une matrice à faible diélectrique, avec un large éventail d'applications en nanotechnologie.