Уральские ученые разработали новый метод анализа эластомеров

Исследователи из Института механики сплошных сред Уральского отделения РАН (филиал ПФИЦ УрО РАН) разработали новый метод анализа данных атомно-силовой микроскопии (АСМ), позволяющий реконструировать трехмерное распределение жестких наночастиц (углеродных нанотрубок, технического углерода) в приповерхностном слое эластомерных нанокомпозитов.

Эластомеры и их нанокомпозиты широко применяются в промышленности благодаря уникальному сочетанию эластичных и диссипативных свойств. Для изучения наноструктуры этих материалов используют атомно-силовую микроскопию. Традиционные методы анализа данных, получаемых с атомно-силового микроскопа, разработаны в основном для твердых материалов, и они не учитывают конечные деформации и неоднородность материала. Кроме того, в случае применения стандартных методик требуется глубокое внедрение зонда, что может повредить образец.

Новый алгоритм учитывает скачки зонда, изменение поверхностной энергии при контакте, наличие жестких включений и конечные деформации эластомера. Оценка величины диссипативных потерь (разница между кривыми приближения и отрыва зонда) позволяет определить геометрию и глубину залегания частиц. На основе проведенных исследований создана методика обработки данных, получаемых в полуконтактном режиме АСМ, где в качестве меры потерь используется фазовый сдвиг.

«Наш метод позволяет визуализировать нанообъекты, которые практически неразличимы на картах поверхностной топографии. При этом не требуется глубокого внедрения зонда, а значит, риск повреждения образца или зонда минимален. Это особенно важно для мягких материалов, таких как эластомеры. Экспериментальная проверка проведена на образцах бутадиен-стирольного каучука с одностенными углеродными нанотрубками и бутадиен-нитрильного каучука с многостенными нанотрубками и техническим углеродом. Сравнение с данными просвечивающей электронной микроскопии показало хорошее согласие по размерам нанотрубок», — рассказали авторы исследования, младший научный сотрудник лаборатории микромеханики структурно-неоднородных сред ИМСС УрО РАН Роман Изюмов и заведующий лабораторией, доктор физико-математических наук Александр Свистков.

По оценкам авторов, несомненными преимуществами метода является возможность определения относительного расположения частиц, различия пересекающихся структур и анализа пространственной конфигурации наполнителя. Метод не требует выравнивания поверхности и может быть рекомендован для быстрого и неразрушающего исследования эластомерных нанокомпозитных материалов. В перспективе возможна калибровка для получения абсолютных значений глубин.

Работа выполнена в рамках крупного научного проекта, финансируемого Минобрнауки России.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации