Nanocomposietstructuren meten met neutronen- en röntgenverstrooiing

Experimenten met ultramoderne verstrooiingsinstrumenten onthullen de afwezigheid van specifieke patronen in de röntgenstralen die worden verstrooid door nanocomposietmaterialen. Met behulp van geavanceerde simulatietechnieken suggereert een nieuwe studie dat aantrekkelijke interacties tussen nanodeeltjes met verschillende vormen en maten hoogstwaarschijnlijk verantwoordelijk zijn voor dit gedrag.

Kleine hoekverstrooiing van röntgenstralen en neutronen is een handig hulpmiddel voor het bestuderen van moleculaire en nanodeeltjesstructuren. Tot nu toe hebben experimenten echter een verrassend gebrek aan nanodeeltjesstructuur onthuld in bepaalde nanocomposietmaterialen, waarvan de moleculaire skeletten zijn versterkt met nanodeeltjes die eerder zijn behandeld met polymeeradsorptie.

In een nieuwe aanpak beschreven in EPJ EAnne-Caroline Genix en Julian Oberdisse van de Universiteit van Montpellier, Frankrijk, laten zien dat deze patronen alleen kunnen worden geproduceerd door aantrekkelijke interacties tussen nanodeeltjes met een uiteenlopende reeks vormen en maten.

De resultaten van het duo benadrukken de snel verbeterende mogelijkheden van verstrooiingsinstrumenten met een kleine hoek, en kunnen onderzoekers ook helpen hun technieken voor het bestuderen van nanocomposieten te verbeteren – met toepassingen op gebieden als geminiaturiseerde elektronica, biologische weefselmanipulatie en sterke, lichtgewicht materialen voor vliegtuigen.

Wanneer bundels röntgenstralen of neutronen interageren met atomen in materiaalmonsters, zorgt de resulterende overdracht van momentum ervoor dat ze zich verspreiden in karakteristieke patronen, die variëren afhankelijk van de moleculaire structuur van het monster. In de afgelopen jaren zijn instrumenten voor het meten van deze verstrooiing snel verbeterd, waardoor snellere gegevensverzameling mogelijk is, evenals nauwkeurigere en uitgebreidere metingen van de veranderingen in deeltjessnelheden en -richtingen.

In hun recente onderzoek hebben Genix en Oberdisse de techniek gebruikt om de structuren van geconcentreerde, op polymeren gebaseerde nanocomposieten te bestuderen. Het is algemeen bekend dat interacties tussen de deeltjes bij hoge concentraties van nanodeeltjes het verstrooiingspatroon wijzigen.

Maar verrassend genoeg ontdekte het duo tijdens hun experimenten dat dit niet leek te gebeuren: in plaats daarvan leken de röntgenverstrooiingspatronen die ze waarnamen individuele nanodeeltjes aan te duiden. Om dit resultaat te verklaren, voerden de onderzoekers numerieke simulaties uit om de posities van nanodeeltjes in de ruimte te relateren aan de verstrooiingspatronen die ze waarnamen.

Ze ontdekten dat bij hoge nanodeeltjesconcentraties aantrekkelijke interacties tussen nanodeeltjes met een diverse reeks vormen en maten een bijna ‘structuurloze’ toestand in het nanocomposiet veroorzaken, wat het gebrek aan specifieke kenmerken in hun waarnemingen verklaart. Deze ontdekking biedt belangrijke inzichten in de moleculaire eigenschappen van nanocomposieten en hoe ze kunnen worden ontworpen om hun unieke eigenschappen te optimaliseren.