原子力显微镜

聚合物研究

聚合物结构和形态的纳米级成像

与其他材料不同,聚合物具有坚固、环保和具有成本效益的性质,因此在研究和制造中已变得无处不在。聚合物表面在微观尺度上具有同质性,可影响其粘附性、粘湿性、耐磨性和环境降解特性,从而可以对其进行定制,以适应非常广泛的用途。原子力显微镜已成为聚合物特性化的首选技术。一些优点是,在分析过程中不需要使用真空或对样品进行导电覆盖;以及使用原子分辨率直接测量高度和粗糙度的能力。此外,AFM 技术不需要事先对样品进行复杂处理,以对不同聚合物薄膜的形态、微观结构和结晶性进行表征。

布鲁克AFM支持无损的原位成像聚合物与纳米分辨率与点击模式(组合映射,动态行为的快速扫描)和专有 的峰值力攻丝®( 高分辨率成像,定量属性映射)。这些和其他纳米级表征技术涵盖整个结构长度刻度范围:

  • 分子排列/缺陷
  • 纤维, 拉梅莱, 刷子
  • 相间,相分离域

模模图像显示 ULDPE 连接层与横截面包装材料的 PS/LDPE 密封层之间的过渡。图像大小 3μm。

高分辨率合成映射

组件或多相的纳米级分布对聚合物功能至关重要。物理 AFM 尖端样本交互可同时检测多个样本属性。攻丝模相成像根据材料属性的差异提供定性的构图映射。布鲁克的 AFM 可实现详细描述:

  • 无定形、晶体、中形区
  • 聚合物混合物中的纳米域
  • 相分离共聚合物
  • 聚合物复合材料中的纳米填充剂


点击 PS-PMMA 块共聚合物的光点地形(左)和相位(右)。相位显示基于各种组件的材料属性的高分辨率对比度。1.4μm 扫描。

动态行为与过程的位位研究

聚合物动力学范围从内在热行为到与环境的相互作用。直接观察结构变化可以深入了解控制:

  • 结晶/熔化
  • 降解/分解
  • 链条和画笔订购
  • 拉梅莱形成

尖端扫描 FastScan AFM 支持 实时和实时空间的动态行为高速点击模式成像,与样本大小和环境无关。

随着温度的变化,聚氯乙烯(二乙基硅氧烷)的高速成像通过固体、液体和液晶状态过渡。

具有挑战性的聚合物结构的纳米级成像

某些聚合物特征,如刷子结构、链条包装和分子/点缺陷,难以成像。直接控制成像力对于解决这些分子和中尺度结构至关重要。PeakForce 攻 丝支持 <100 pN 力控制,即使在最小、最具挑战性的样品上也能实现高分辨率成像。由于该技术与地形同时映射机械性能,因此使用这种专有技术更容易实现全面的了解。

峰值力攻丝 iPMMA 上的分子分辨率粘附。100 nm 图像。(样本由T.瑟恩-阿尔布雷希特,马丁-卢瑟-哈勒-维滕贝格大学提供。

定量弹性模量映射

聚合物材料的机械性能对:

  • 优化配方/混合
  • 管理处理条件
  • 评估产品寿命

微观组织要求在相间/界面上对杨的模量和刚度进行表征。 PeakForce QNM® 提供开箱即用的定量弹性模数测光,具有纳米分辨率,使研究人员能够更轻松、更高效地对聚合物进行特征化。

PeakForce QNM 分层包装的图像显示纳米级结构和相位边界附近的模量值。这些高分辨率地图显示层界面附近的层数顺序增加。4μm 扫描。

定量粘弹性测量

聚合物的粘弹性特性是许多商业应用的核心,从振动隔离和噪声阻尼到减震、防尘涂层和温度相关要求。宏尺度属性由纳米级结构控制,例如相间、接口和域。为了充分了解粘弹性行为,需要时间-温度叠加。

布鲁克的 AFM-nDMA 模式 提供完全定量的粘弹性属性映射,包括存储和损耗模数,以及损耗切线(与附着力分开)。流变温度和频率范围可实现纳米尺度的母体结构。

四组分(COC、PE、LLDPE、弹性体)聚合物(左)上的高分辨率存储模量图。在各个点(右)收集的存储模量光谱。

有机半导体分子电导率图

导电聚合物用于许多电子应用(例如有机光伏)。有机半导体的电荷传输特性和载波移动性与结构顺序水平直接相关。能够通过多个长度比例绘制导电通路图,是提高效率的关键。 PeakForce-TUNA 可实现分子分辨率定量电导率图,而不会损坏细腻的样品。借助这项技术,研究人员现在可以直接可靠地将地形和纳米力学特性关联在一起。

使用3V偏置的聚(3-六基乙基苯)(P3HT)有机导电纳米线的峰力TUNA电流图。