הבנת המורפולוגיה של פולימרים ב nanoscale כבר לא מותרות - זה הכרחי לעיצוב חומרים עם תכונות מכוונים בדיוק. מן השלל קריסטל בתרמופלסטיקה למחצה של סמיקללין למיקרופאוזה-שחוקה מספק את הדומיינים המחולקים בשרירים הבלוקפוחיות, את הסידור ברמת ננומטר של רשתות פולימריות מכתיבים כוח מכני, יציבות תרמית, אופטית, ביצועים ואפקטים, עכשיו, כדי לנתח את התכונות המתמטיות, כדי לנתח את התכונות המעמיקות, ולבחון את התכונות של שיטות פעולה מתמטיות, ואפקטים, ואפקטים בצורה מתמטית ביותר, רקמטית, ואפקטית, כדי לנתח את התכונות של שיטות הפעלה כמה שיותר מדגימה, כדי לנתח את התכונות של שיטות מתמטית, כדי לנתח את התכונות של שיטות הפעלה, ואפקטית, ואפקטים של תכונות מתמטית של שיטות מתמטית של שיטות פעולה, כמה מאקרו-מעמיקה של שיטות הפעלה, ואפקטים, כדי לנתח את התכונות של שיטות הפעלה, בצורה יעילה ביותר, באופן מדויק של מאקרו-מעמיקה של שיטות הפעלה, כדי לנתח את התכונות של מאקרו-מעמיקה של מאקרו-מסוגננת, כדי לנתח את התכונות של מאקרו-ממדמטית של

למה N-Scale Characterization Matters for Polymers

פולימרים הם היררכי מטבעם: התכונות שלהם נובעות מתופעות המתרחשות בקנה מידה רב טווח.מבנה הכימי העיקרי ( ⁇ 0.1 nm) משפיע על רצף שרשרת ( ⁇ 1-10 nm), אשר בתורו שולט עובי lamellar, גודל spherulite, ואפקטים של שלב-החומרים המחולקים (10–100 nm) אופטיים מסורתיים ופרקים נרחבים על פני שיטות גדולות, לעתים קרובות, ננוגניות-ידי שיטות בקרה קריטיות-ידי תאים, אשר מאפשרות שליטה ישירה.

  • לזהות ולכמת קריסטל ואזורים amorphous בתוך spherulite יחיד
  • מפות nanoscaleקומפוזיציה וריאציות בתערובת פולימר ו copolymers
  • מדדו את עובי ואת אחידות של סרטים דקים וציפויים
  • לאפיין את הפיזור והאוריינטציה של חלקיקים nanocomposites
  • נפיחות, נפיחות או מעברי שלב בתנאים סביבתיים שונים

התובנות שהתקבלו מטכניקות אלה הן קריטיות עבור השגת פיתוח של חומרים בעלי ביצועים גבוהים עבור אווירויר, שתלים ביו-רפואיים, אלקטרוניקה גמישה ואריזות בר-קיימא.

Transmission Electron Microscopy (TEM)

עקרונות והחלטה

Transmission אלקטרוני microscopy (TEM) משתמש בקרן ממוקדת של אלקטרונים עתירי אנרגיה גבוהה (בדרך כלל 80-300 keV) העובר דרך דגימה אולטרה-ליין (בדרך כלל <100 nm עבה) אלקטרונס אינטראקציה עם הדגימה באמצעות פיזור אלסטי ו inelastic, ואת beam מועבר יש מידע מבני כי הוא מוגדל ומואץ על גלאי שדה מודרני-המיסהה עולה עם מיקרוסקופיתות של מיקרוסקופיתות ישירות של â, כלומר, 000 â â â â â â â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â â â â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â â ¢ ¢ â â â â ¢ ¢ â ¢ ¢ â â ¢ â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢

אתגר הכנת הדגימות

דגימות פולימר מציג קשיים ייחודיים עבור TEM.האלקטרון קרן יכול לפגוע במהירות חומרים אורגניים רגישים amam, המוביל לאובדן המוני, קישור בין-קשר, או amorphization. Cryo-TEM, שבו הדגימה נשמרת בחנקן נוזלי או טמפרטורות helium נוזלי, מפחית באופן דרמטי את נזקי קרינה וכעת הוא שיטה סטנדרטית לחומרים רכים.

שינויים ב-TEM עבור Polymers

  • (FLT:0) ,Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM): 1A ממוקד beam rasters על פני הדגימה; גלאי שדה כהה אירגוניים מספקים תמונות Z-contrast אשר ישירות לחשוף התפלגות עתירה כבדה, אידיאלי עבור חקר פולימרים מלאים חלקיקים.
  • (FLT:0)Electron Energy Loss Spectroscopy (EELSOVA): FLT:1 מודד אובדן אנרגיה של אלקטרונים מפוזרים באופן בלתי חוקי, נותן חיבור כימי ומפות הרכב ברזולוציה ננומטר.
  • (FLT:0) אלקרון דיפרצה (ED): ⁇ 1) , המוחזק על ידי הצבת הגלאי במטוס המיקוד האחורי; המשמש לקבוע מבנה גבישי, אוריינטציה, ודרגה של גבישים באזורים פולימרים קטנים.

לסקירה מצוינת של טכניקות TEM החלים על חומר רך, ראה את הסקירה המקיפה ב-FLT:0Progress in Polymer ScienceFLT:1FLT:2(DOI: 10.1016/j.propolymsci.2012.02.002)FLT 3: 3.

סורק אלקטרון מיקרוסקופיה (SEM)

Surface Topography and Structure

סריקת מיקרוסקופיה אלקטרונים (SEM) מייצרת תמונות על ידי סריקה של קרן אלקטרונים ממוקדת מעל פני השטח המדגם איסוף אותות מאלקטרונים משניים (SE) ו backscattered אלקטרונים (BSE) SE תמונות לספק ניגודיות טופוגרפית עם החלטה טיפוסית של 1-5 nm, בעוד BSE מדגיש מספר אטומי (Z) ניגודיות, מה שהופך אותם שימושיים עבור מבדילה שלבים פולימרים בתערובת או באיתורם במתחים זעירים (S) יכול לפעול בציפוי חומצה פולימרומית (S) בציפוי חומצה נמוכה מאוד (FV).

ניתוח בסיסי: EDS ו- WDS

אנרגיה-דיסקרטי X-ray spectroscopy (EDS) משולב באופן שגרתי ב SEM. כאשר קרן אלקטרונים מאגדת אטומים בדגם, צילומי רנטגן אופייניים פולטים וגלוה, מניבים יצירות אלמנטליות איכותיות וכמותיות. עבור פולימרים, EDS הוא בעל ערך מיוחד לזיהוי תוספים, ממלאים, ומזהמים.

לחץ סביבתי ומשתנה

האמנה SEM דורש ריק גבוה, אשר יכול להתייבשות או לשנות פני כדוריות פולימרים.סביבה SEM (ESEM) או מתחנן משתנה SEM (VP-SEM) מאפשר הדמיה בנוכחות של מים או גזים אחרים, מה שמאפשר ללמוד פולימרים מיובשים, הידרוג'ל ורקמות ביולוגיות ללא ייבוש.

מדריך מעשי לניתוח של פולימרים ניתן למצוא ב EFLT:0 (JEOL's פולימרים) .

אטומי כוח מיקרוסקופיה (AFM)

עקרונות ומצבי תפעול

מיקרוסקופית כוח אטומי (AFM) שייכת למשפחת סריקת המיקרוסקופיה.טיפ חד (רידיוס של כורכום <10 nm) רכוב על משטח הדגימה גמישה.הכוחות בין טיפ ודגימה - ונואלס, אלקטרוסטטי, מגנטי או אדמדן - כי ניתן לפענוח דה השתקפות, אשר הוא מעקב על ידי לייזר משתקף על תמונה ותמונה מדבקה או מדמפסת לאחר מכן.

AFM פועל במספר מצבים:

  • (FLT:0) מצב מגע: פיתוי 1:1 פונה באופן רציף על פני השטח; כוחות גבוהים יכולים להזיק פולימרים רכים, אבל זה מציע פתרון מאוחר יותר גבוה על דגימות קשות.
  • (ב) ,0) תנאי (מגע לסירוגין): «10RELT:1 , Cantilever oscillates ליד תדירות resonant; הטיפ מקל על פני השטח בכל נקודה סריקה, מצמצם כוחות Shear ולהפוך אותו אידיאלי עבור פולימרים.
  • (ב) [15] ,0) ללא מגע מודאר: 1FLT 1 טיפ oscillates מעל פני השטח; כוחות רגישים לטווח ארוך, שימושיים עבור דגימות רכות מאוד או קלות.

Beyond Topography: Nanomechanical and Thermal Mapping

AFMs מודרניים להרחיב הרבה מעבר הדמיה. PeakForce QNM (Quantitative Nanomechanical Mapping) בו זמנית רשומות טופוגרפיה ומפות כמותיות של Modulus, דבקות, פירוק ועיוות. עקומות למרחקים של כוח נרכשים בכל שלב פיקסל, המאפשרים בנייה של מפות קניין מכני עם רזולוציה מרחבית ננומטר.

עבור מדריך מפורט על AFM של פולימרים, מתייחס ל- AFM של פולימרים:0 (עמוד משאבים של פולימר AFMIRFLT:1).

טכניקות חישוביות: SAXS ו- WAXS

קרינת רנטגן קטנה (SAXS)

בעוד מיקרוסקופיה מספקת תמונות של מרחב אמיתי, טכניקות פיזור מציעים מידע חזק סטטיסטית, האנסמבל-הצטבר על פני כרכים גדולים יותר. SAXS חוקר מבנים בטווח של 1–100 nm על ידי מדידה של הפצה זוויתית של צילומי רנטגן מפוזרים בזווית קטנה (0.1- 5 °) עבור פולימרים, SAXS מתאים ייחודי לקבוע תקופות תקופתיות ארוכות טווח, כגון larkreamsic של ניסויים ב-Strascrexicial של סרן זמן תגובה לטווח קצר לאחר מכן).

ההרחבה A-Angle X-ray Scattering (WAXS)

WAXS, הידוע גם בשם X-ray diffraction (XRD), חוקר סדר בקנה מידה אטומי (<1 nm) הוא מספק מידע על מבנה גבישי, ממדים תא יחידה, אינדקס גבישי, וגודל קריסטל (באמצעות ניתוח Scherr) בשילוב עם SAXS, החוקרים יכולים לקשור את הארגון ברמת ננוקל ומולקולאריקולארי - לדוגמה, כיצד עוביים מתפתחים במהלך ניתוח גבישי של נשט לאחר החלמה ראשונית.

שיקולים מעשיים

מכשירים SAXS יכולים כעת לספק נתונים איכותיים על פולימרים, אם כי מקורות סינכרונכרונים מציעים הרבה יותר פלוקס גבוה יותר וגליון עבור מערכות דילול או מחקרים קינטיים.דגמות הם בדרך כלל סרטים דקים או חתיכות מוצקות; השעיה נוזלית של חלקיקים ניתן למדוד ב capillaries. כדי לחלץ פרמטרים משמעותיים, נתונים גולמיים יש לתקן עבור רקע, ספיגה, גלאי, אפקטים, ולאחר מכן מתאימים מודלים מתאימים (תפקוד הלבבות, Gurager, grager).

מקורות חינוכיים של ראטיפנדר 1 (FLT:0) מספקים נקודת התחלה מצוינת להבנת ניתוח נתונים.

סורק את Probe Microscopy Variations

Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)

KPFM מודד את תפקוד העבודה המקומי או את הפוטנציאל של סרט פולימרים, רגיש לכימיה פני השטח, doping, או מטען מלכודות. באלקטרוניקה אורגנית, KPFM משמש כדי לדמיין הפצה מטען בשכבות פעיל של photovoltaics אורגני וללמוד להזרקת ממשקי אלקטרודה.טכניקה הוא בדרך כלל מיושמת במצב לא מגע או קלפט עם בדיקה התנהגותית.

מגנטי כוח מיקרוסקופיה (MFM)

MFM משתמשת טיפ מצופים מגנטית כדי למפות שדות מגנטיים משוטטים מעל פני השטח של הדגימה, בעוד פחות נפוץ עבור פולימרים טהורים, זה יקר עבור ננוקום פולימר המכילים חלקיקים מגנטיים או כדי ללמוד היערכות מגנטית בעיבוד.

אלקטרו-כימי AFM (EC-AFM)

EC-AFM משלב AFM עם חזקיוסט, המאפשר הדמיה טופוגרפית בו זמנית ומדידות אלקטרוכימיות (למשל, תנומטרי אופניים) על סרטים פולימרים בפתרונות אלקטרוליטטיים.טכניקה זו משמשת כדי ללמוד נפיחות, יון תחבורה והתנהגות אלקטרו-כרומית בניהול פולימרים וכיסוי סוללות.

טכניקות משולבות וטכנולוגיות מתפתחות

ניוטרון Scattering

Neutrons אינטראקציה עם גרעיני גרעיני גרעיני nuclei והם רגישים מאוד אלמנטים אור (hydrogen, פחמן, חמצן) כי אורך הפיזור של מימן שונה באופן דרמטי מן deuterium, deuteration סלקטיבית ניתן להשתמש כדי להדגיש שרשראות פולימרניות מסוימות או פלחים בתערובת. סבך קטן של NNNUMF פיזור (SANS) הוא כלי רב עוצמה עבור ייצוב שרשרת, ערבוב, שילוב תרמודינמיקה מסוימת של תרופות ו-FsoUSVIC) הוא כלי רב-NUMS (N) של פיזור חומרים סטנדרטיים) כמו XLTS סטנדרטיים (N) ו-NUMF) הוא כלי רב-NUMFSTERSTERSTERNUMFSTERSTERSTER (N) הוא כלי רב-NUMSTERSTERSTERSTERSTEROSTEROSTERSTERSTERSTERSTERSTEROSTIC) הוא כלי רב-N) הוא כלי רב-N) הוא כלי רב-N) הוא כלי רב-NUMSTEROST (N) הוא כלי רב עוצמה עבור מדד חזק עבור מדד חזק עבור פיזור חומרים פיזור חומרים פיזור חומרים חד-S) הוא כלי רב-NINEF

נבינודן

ננוינטדט משתמש בזרימת יהלום חדה כדי ללחוץ על פני כדור הארץ תוך כדי מדידה מתמדת של עומס ועקירה. מן העקומה המעמיקה וכתוצאה מכך, תכונות מכניות כגון קשיחות, מודלוס מופחת, וניתן לחלץ את המצמרר. nanoindenters מודרניים יכולים להשתלב עם AFM או מיקרוסקופית אופטית כדי לתאם תגובה מכנית עם תכונות מורפולוגיות ספציפיות.

Raman ו-FTIR Microspectroscopy

טכניקות ספקטרוסקופיות ספקטרום רציונליות מציעות מפרט כימי. Confocal Raman microscopy מספק מפות כימיות עם החלטה מאוחרת של כ 300 nm (מוגבל על ידי diffraction) זה שימושי במיוחד לזיהוי גבישי ושלבים amorphous בפולימרים, מעקב אחר אוריינטציה מושרה מתח, ואפיון מוצרים של פיזור פולימרים (microscopycopy) פועל ברזולוציה מעגלית של 5aph), אך מציע גישה מבוזרת עם מוגבלות עם , אך ורק עם מקורות דינמיים עם קיבולת מוגבלת 5.

תגיות: Nano-Scale Characterization in Polymer Science

שלב ההתנהגות של ה-Coopolymer

בלוק copolymers באופן ספונטני עצמית להרכיב nanostructures הורה -lamellar, cylindrical, gyroidal, ו pherical - תלוי על הרכב וכוח הפרדה. TEM ו AFM משמשים באופן שגרתי כדי לאמת את המורפיום ו למדוד את תחום ספיגה. SAXS מספק אישור סטטיסטי ויכול לזהות מעברים סדרי סדר כתפקוד של ידע זה הוא מנוצל כדי ליצור קריסטלים, עבור תמונה ננוניקה, ונוניקה.

Polymer Nanocomposites

ב nanocomposites, תואר של פיזור חלקיקים ואזור בין מלא ומטריקס למשול חיזוק מכני ותכונות מחסום. STEM-EDS, AFM nanomechanical מיפוי, SAXS (או SAXS אם deuterated) לחשוף את חלוקת המרחב של חלקיקים ואת קיומו של קליפת פולימר עם תכונות משתנות סביב כל אחד המחקרים האלה יש התפתחות של גבוה-מהפכה, עבור חלקים גמישים עבור אלקטרוניקה.

סרט דק וציור

הביצועים של סרטים פולימרים דקים בחיישנים, שכבות דיאלקטריות, או ציפוי מגן תלויים ביקורתי על עובי הסרט, גסות, והומוגניות ב nanoscale. AFM מספק מדידות תת-מטר וניתן לזהות pinholes ופגמים. X-ray רפלקטיביות (XRR) משלים AFM על ידי מתן פרופילים מדויקים וצפיפות של רב-שכבות משולבות, הם להבטיח שליטה איכותית בפסים ופוטומים.

פולימרים ביו-רפואיים ו- Hydrogels

פולימרים ו הידרוגלים לא מתאימים לתנאים hydrated או פיזיולוגיים. ESEM ו Cryo-SEM מאפשרים הדמיה של הידרוגל נפוח ללא פריטים מיובשים. AFM במצב נוזלי מודד את המודולולים והדבקות של הידרוג'ל ספוגים, מנקה עם נתוני התפוצה של תאים.S עם וריאציות יכול לחקור את גודל המעבר ואת הדחיסות במשלוחים, עבור יישומים קריטיים עבור תרופות.

ניתוח נתונים, מודלים ואינטגרציה

האפיון בקנה מידה ננו מייצר נתונים מסיביים - תמונות אמפתיות, ספקטרום ומשטחי כוח - הדורשים צינורות ניתוח חזקים. Machine Learning מוחל יותר ויותר על שלבים פלח בתמונות TEM ו- AFM, מבני פולימרים מסווגים, וחיזוי תכונות של nanostructural descriptors. Image Tools (למשל, קורטטיבי אור-electronicology) משלבים את התמונות המולקולריות של מיקרוסקופיות מיקרוסקופיות בודדות של תאים אופטיים לא ניתן לרכוש.

שילוב של טכניקות משלימים מספק את התמונה המלאה ביותר.לדוגמה, שילוב SAXS (סטטיסטיקות סנסמבלות) עם TEM (פרטים נמוכים) ו- AFM (נכסים על פני השטח) מביא הבנה בקנה מידה רב כי אף אחת מהשיטות לא יכולה לספק לבדה.מעבדות רבות משתמשות כעת בספריה של כלי אפיון לממצאים חצי-סוליים.

מסקנה

טכניקות האופיויזציה בקנה מידה ננו הפכו את ניתוח מורפולוגיה פולימרית מהתעמלות תיאורית איכות לתוך מדע כמותי, חיזוי. Transmission אלקטרוני microscopy, סריקה מיקרוסקופיה אלקטרונים, מיקרוסקופיות כוח אטומי, ופיזור שיטות כל אחד לתרום מידע ייחודי וחופי על המבנים הפנימיים והמשטחיים של גלאי פולימרים בדרגות קריטיות לביצועים של האבולוציה החומרית.

עבור אלה המתחילים את המסע שלהם לאופי פולימרים בקנה מידה ננו, המשאבים המשולבים של ארגונים כגון FLT:0 The Materials Research SocietyFLT:1 ו-FLT:2 Royal Society of ChemistryBuild of ChemistryBuild of ChemistryBuildFLT 3) מציעים הדרכות, Webinars, ו- peer-reviewed Literatureed Literature כדי לעזור לבחור וליישם את הטכניקות המתאימות ביותר עבור מערכת פולימרים נתונה.