Hoge resolutie beeldvormingsmethode op nanoschaal zou de ontdekking van duurzamere materialen kunnen versnellen

Maak een foto met je telefoon en misschien zie je prachtige details: bladeren aan een boom, haarlokken die in de wind wapperen. De breedte van die haarlok is 100.000 nanometer breed. De beste traditionele laboratoriummicroscoop die licht gebruikt, kan details zo klein als 200 nanometer vastleggen – de grootte van een groot virus. De meest geavanceerde lichtmicroscoop kan kenmerken onderscheiden die zo klein zijn als 20 tot 50 nanometer, of ongeveer zo groot als een groot eiwitmolecuul.

Nu hebben ingenieurs bij Tufts een beeldvormingsmethode ontwikkeld die details kan zien tot op 1,6 nanometer – de diameter van één DNA-molecuul.

De bovengrens van de bestaande beeldtechnologie – atoomkrachtmicroscopie genoemd – is gebruikt om afzonderlijke atomen te detecteren, maar het resultaat lijkt meer op een ruw zwart-witbeeld. Atomen verschijnen gewoon als hobbels op het oppervlak. Er is geen “kleur”-informatie over het type atoom of materiaal.

De nieuwe methode, ontwikkeld door een team onder leiding van Igor Sokolov, hoogleraar werktuigbouwkunde, en gerapporteerd in Materialen vandaagmaakt gebruik van atoomkrachtmicroscopie, maar combineert deze met fysieke metingen en machinaal leren om een ​​kaart met hoge resolutie van het materiaal te creëren.

Terwijl de kleine atoomkrachtmicroscoopsonde het oppervlak van een monster scant, kan hij onderscheiden welk type molecuul zich daaronder bevindt. Als het materiaal bijvoorbeeld een composiet is van drie verschillende polymeren, kan het een kleurenkaart opleveren van de verdeling van molecuultypen en de structuur op nanoschaal van het composiet met een resolutie van 1,6 nanometer.

De fysieke metingen omvatten de contouren van het oppervlak, de energie die verloren gaat in de microscoopsonde wanneer deze zich loskoppelt van het oppervlak, en de lengte van de “nek” van materiaal die zich uitstrekt wanneer de sonde wegtrekt. In totaal worden twaalf verschillende fysieke metingen gelijktijdig geregistreerd met behulp van de geavanceerde “ringing-modus” van atoomkrachtmicroscopie (ook ontwikkeld in het laboratorium van Sokolov).

Deze schat aan informatie wordt vervolgens verwerkt via een machine learning-algoritme dat een profiel creëert voor elk type materiaal in het monster.

Een snellere manier om nieuwe materialen te analyseren

De nieuwe beeldtechnologie heeft het potentieel om cruciaal te zijn bij het bestuderen van materialen die nieuwe mechanische, elektrische of optische eigenschappen vertonen. Composietpolymeren kunnen superieure sterkte-gewichtsverhoudingen, stijfheid, flexibiliteit, duurzaamheid, hittebestendigheid en meer hebben.

Autobumpers zijn bijvoorbeeld gemaakt van een composiet van polymeren en kleideeltjes, waarvan de ontwikkeling een doorbraak betekende in het vergroten van de duurzaamheid, het uiterlijk en de veiligheid van kunststoffen die in de autoproductie worden gebruikt.

Beeldvorming met nanostructuren kan de ontwikkeling van nieuwe producten helpen versnellen. “Met deze techniek kunnen we veel sneller inzicht krijgen in de eigenschappen van een polymeer”, zegt Sokolov.

“Om bijvoorbeeld te begrijpen hoe duurzaam het is, kunnen we het polymeer blootstellen aan zuur, hitte of UV-licht en vervolgens direct in beeld brengen wat er gebeurt met een bijna atomaire resolutie. Omdat de gevoeligheid en resolutie van deze techniek zo hoog is, kunnen we zien verandert lang eerder dan welke andere techniek dan ook, die veranderingen alleen op micrometerschaal zou kunnen detecteren.”

Eén toepassing is het verbeteren van de ecologische duurzaamheid van nieuwe kunststoffen. Door nieuwe kunststofcomposieten te identificeren die laag voor laag zeer soepel afbreken, zou men de productie van microplastics kunnen vermijden, die doorgaans worden geproduceerd door een meer ongelijkmatige erosie van de polymeren. Naarmate deze kunststoffen uiteenvallen, vervuilen ze het milieu en komen ze terecht in de voedselketen en uiteindelijk in menselijk weefsel.

Het vinden van zeer duurzame kunststoffen die bestand zijn tegen een breed scala aan omstandigheden zou ook kunnen leiden tot betere, duurzamere materialen, wat zeer wenselijk zou zijn voor toepassingen zoals loodgieterswerk en bouwconstructies.

Toepassingen in de gezondheidszorg kunnen onderzoek naar tandoppervlakken omvatten, om beter te begrijpen hoe verschillende stoffen en ziekteverwekkers tanden afbreken en om coatings te helpen ontwikkelen die deze effectiever kunnen helpen beschermen.

“Beeldvorming op nanoschaal kan helpen de ontwikkeling van polymeermaterialen in de richting van een meer analytische aanpak te brengen”, aldus Sokolov.

“De kunststofproductie is tegenwoordig een kunst die grotendeels gebaseerd is op vallen en opstaan. Je mengt polymeren waarvan je denkt dat ze goed samen kunnen werken, en je test onder omstandigheden die gebruik, veroudering en blootstelling aan het milieu kunnen nabootsen, waarbij je vooral macroscopische en microscopische veranderingen in het materiaal observeert. .

“Door naar de veranderingen op nanoschaal te kijken, kunnen we sneller extrapoleren naar wat er in de loop van de tijd met deze nieuwe materialen zou kunnen gebeuren.”