用AFM-nDMA定量映射粘弹性性质

寻找一种可以在聚合物等软非均质材料上用纳米尺度或分子分辨率测量局部粘弹性性质的技术一直是一项挑战。亚博网站下载现在，布鲁克的科学家开发了一种新方法，称为原子力显微镜-纳米动态力学分析(AFM- ndma)，它克服了传统的纳米力学AFM模式的局限性，提供了定量的粘弹性数据，直接等同于散装DMA测量

图片来源:伤风/ Mr_Mrs_Marcha

聚合物被广泛应用于各种材料中，从尼龙和PVC等基本物质，亚博网站下载到具有自愈和调节自身温度等奇特特性的新型高级材料。^1，2

聚合物是由长分子链组成，结合了固体和流体的特点。因此，当它们在应力作用下变形时，往往表现出粘性和弹性特性。了解这些粘弹性特性是聚合物科学、优化配方和共混物以及开发新材料的关键方面。亚博网站下载亚博老虎机网登录^3.

动态力学分析(DMA)提供体粘弹性特性的信息

聚合物的粘弹性行为通常使用一种称为动态力学分析(DMA)的技术进行研究。DMA以循环的方式对样品施加小应力或变形，并监测材料的应变与时间、温度、应力和频率的关系。⁴

DMA可用于确定性能，包括存储模量、损耗模量、阻尼系数和复模量。它也可以用来定位材料的转变，如玻璃转变温度。⁴

在新材料的开发中，DMA经常被用来理解结构-性能关系。亚博网站下载它也是塑料生产中质量保证的必要组成部分。⁴

为什么我们需要研究纳米尺度上的局部粘弹性性质

DMA测量材料的体块性能，对于不含任何纳米结构的均质材料来说非常出色。亚博网站下载但新材料越来越依亚博网站下载赖复合材料、混合材料、多层材料和纳米结构来获得理想的性能。

这些非均质材料的体积特征通常由材料内部的微相和间相决定，其中限制效应和分子间的相互作用改变了结构亚博网站下载和粘弹性特性。⁵

了解微相、间相的特征，以及它们如何相互作用以确定体块特性是设计令人兴奋的新材料的关键。亚博网站下载但为了开启材料研究的新维度，我们需要一种能够在100纳米尺度下测量局部粘亚博网站下载弹性特性的技术。⁵

传统的AFM模式无法定量测量局部粘弹性特性

纳米力学经常使用原子力显微镜(AFM)进行测量，它提供了绘制纳米尺度特征所需的高灵敏度和分辨率。例如，PeakForce QNM提供了高分辨率的弹性模量映射。^6，7

但成像聚焦的AFM模式不适用于粘弹性的量化。接触面积的快速变化，以及针尖-样品接触的产生和破坏，使这些测量本质上是非线性的。此外，尖端试样的粘附力较大，但在定量计算中往往被忽略。最后，AFM成像技术中使用的频率通常是固定的，对于有意义的流变测量(可以与散装DMA结果进行比较)来说，频率过高。因此，没有一个现实的模型来量化成像聚焦的AFM模式的基本粘弹性特性。^5、7

由于这些限制，多年来，研究人员一直在努力开发一种定量技术，用于测量纳米尺度上的粘弹性特性，直接与体积粘弹性测量相关。

AFM-nDMA可以测量纳米尺度上的粘弹性特性

布鲁克大学的科学家们现在开发了一种新技术，克服了传统AFM的缺陷，可以用10nm的空间分辨率测量材料的粘弹性特性。亚博网站下载他们在2019年7月的《矿物、金属和材料学会杂志》上展示并发表了他们的最新技术，称为AFM-nDMA。亚博网站下载⁵

AFM-nDMA采用了一种新的方法来测量粘弹性特性。首先，非共振尖端方法使尖端接触没有侧向力和已知的预紧力。

随后，执行一系列保持段，其中尖端样品力在明确的低振幅流变频率(0.1-300 Hz，可扩展到20kHz)下进行调制。AFM-nDMA利用专利算法，如布鲁克的hyystron压头技术的参考段，修正了样品蠕变的内在问题，改变了测量过程中的接触半径。

然后使用接触力学模型模拟尖端的收缩，包括从原始数据确定的黏附、允许接触半径、存储和损失模量。使用带有圆形、定义良好的尖端的预先校准探针，AFM-nDMA可以提供粘弹性特性的精确定量测量。^5、8、9

证明AFM-nDMA对真实样品的能力

在他们发表在JOM杂志上的论文中，来自Bruker的团队描述了他们如何使用AFM-nDMA测量聚二甲基硅氧烷(PDMS)两部分弹性体、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚丙烯(PP)和环烯烃共聚物(COC)的共混物以及冲击共聚物的粘弹性性能。⁵

科学家们使用AFM-nDMA测量PDMS的存储和损耗模量如何随频率变化，然后将他们的结果与散装DMA的数据进行比较。在AFM的首次研究中，他们发现整个散装DMA频率范围内的测量结果与散装DMA的测量结果非常一致，甚至在不同的实验室和不同的AFM系统和操作人员中具有良好的重复性。此外，AFM-nDMA方法允许访问比传统DMA更高的频率，传统DMA通常限制在200hz以下的频率。⁵

该团队还获得了FEP作为频率和温度函数的粘弹性数据，使他们能够确定材料在不同频率下的玻璃化转变温度。在AFM的另一个第一次中，他们遵循了行业标准的时间-温度叠加操作程序，并且能够使用散装DMA和AFM- ndma很好地一致生成主曲线。⁵

他们还使用AFM-nDMA来绘制PP-COC共混物的粘弹性特性，共混物由一个约为1µm的COC畴的PP矩阵组成。他们收集并绘制了在一定温度范围内的存储模量和损耗正切，精确地确定了传统方法可能忽略的材料的关键热和结构转变。⁵

最后，他们利用AFM-nDMA绘制了一种冲击共聚物的图谱，展示了该技术测量直径小于100nm特征的局部粘弹性特性的能力。⁵

AFM-nDMA材料设计的新时代

设计具有精确性能的新材料需要亚博网站下载对结构-性能关系的复杂理解。布鲁克大学的科学家们的研究表明，AFM- ndma通过使空间分辨率只有AFM才能提供的粘弹性特性的定量映射，提供了一个新的理解维度。⁵

毫无疑问，这项新技术将在未来几年的聚合物新材料开发和优化中发挥核心作用。亚博网站下载

参考资料及进一步阅读

1. “诺丁汉大学研发的新型尖端聚合物”https://www.britishplastics.co.uk/亚博网站下载materials/new-cutting-edge-polymer-that-cools-down-itself-under-extrem/
2. “自愈合聚合物和复合材料”- Mauldin TC, Kessler MR，国际材料评论，2010。亚博网站下载
3. 聚合物的粘弹性行为:物理化学行为和超分子组织- Ligia G, Deodato R，施普林格，Dordrecht, 2009。
4. “动态力学分析:实用介绍，第二版”- Menard KP, CRC出版社，2008。
5. “纳米级DMA与原子力显微镜:一种测量纳米结构聚合物材料粘弹性性能的新方法”- Pittenger B, Osechinskiy S, Yablon D, Mueller T, JOM, 2019。亚博网站下载
6. “用基于afm的纳米dma测量纳米级粘弹性性能”https://www.bruker.com/events/webinars/measuring-nanoscale-viscoelastic-properties-with-afm-based-nano-dma.html
7. “AFM-DMA测量纳米级粘弹性性能”//www.washintong.com/article.aspx?ArticleID=18383
8. “用原子力显微镜绘制橡胶的纳米流变图谱”——Igarashi T, Fujinami S, Nishi T, Asao N, Nakajima K, Macromolecules, 2013。
9. “AFM-nDMA”https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes/modes/modes/nanomechanical-modes/afm-ndma.html

这些信息来源于布鲁克纳米表面公司提供的材料。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问力量纳米表面。