AFM用于聚合物材料研究

由于聚合物在坚固、环保和成本效益等方面优于其他材料，所以在研究和制造领域已随处可见。聚合物表面在微观尺度上呈现出非均质性，会影响其在环境中的粘附、润湿性、磨损和降解性能，由此可进行定制以适应各种广泛的用途。原子力显微镜已成为表征聚合物的首选技术。该技术有几个优点：分析过程中无需采用真空且无需在样品上施涂导电涂层；以及能够采用原子分辨率直接测量高度和粗糙度。此外，在表征不同聚合物薄膜的形态、微观结构和结晶度时，AFM 技术不要求事先对样品进行复配处理。

借助轻敲模式（成分成像、动态行为的快速扫描）和专有的峰值力轻敲模式（PeakForce Tapping®，最高分辨率成像、定量力学性能成像），布鲁克的原子力显微镜可对聚合物进行纳米分辨率的非破坏性原位成像。上述及其他纳米尺度的表征技术涵盖了各种尺度的结构长度：

分子排列/缺陷
微纤、片晶、刷子
相间、相分离区

该模量图显示了典型包装材料的 ULDPE 粘结层到 PS/ULDPE 密封剂层之间的相变。图像尺寸为 3μm。

高分辨率成分成像

纳米尺度下的组分分布及相分离行为对于聚合物功能至关重要。借助原子力显微镜的实体针尖与样品的相互作用，可同时检测样品的多项性能。轻敲模式相位成像可根据材料性能的差异提供定性成分成像。布鲁克的原子力显微镜可对以下要素进行详细表征：

无定形区、结晶区、介晶区
聚合物共混物中的纳米畴
相分离共聚物
聚合物复合材料中的纳米填料

PS-PMMA 嵌段共聚物的轻敲模式形貌图（左）和相位图（右）。由于各种不同组元的材料性能，相位呈现出高分辨衬度。扫描尺寸 1.4µm。

动态行为和过程的原位研究

聚合物动力学涵盖了从固有热学行为到与环境的相互作用。对结构变化进行直接观测可深入了解并控制以下行为的关键机制及动力学：

结晶/熔融
降解/分解
链形、刷形聚合物有序度
片晶形成

针尖扫描的Dimension FastScan系统可实时地对动态行为进行高速轻敲模式成像，与样品大小和环境无关

随着温度变化，可对聚（二乙基硅氧烷）(PDES)从固态到液态、液晶态的转变进行高速成像。

对极具挑战性的聚合物结构进行纳米尺度成像

有些聚合物特征（如刷状结构、链堆砌以及分子/点缺陷）成像困难。直接控制成像力对于辨别这些分子和中尺度结构至关重要。即使是最细小、最具挑战性的样品，峰值力轻敲模式（PeakForce Tapping ）也能确保 <100 pN 的力控制，从而实现最高分辨率成像。由于该技术采用形貌对力学性能进行同步成像，所以采用该专有技术，全面了解样品的性质更容易实现。

使用峰值力轻敲模式对iPMMA 获得的亚分子分辨率粘附力分布图像。100 nm 图像。（样品由马丁路德·哈勒维腾贝格大学 T. Thurn-Albrecht 提供。）

定量弹性模量成像

聚合物材料的力学性能对于以下方面至关重要：

优化配方/共混物
管理工艺条件
评估产品寿命

微观组织需要表征相间/界面的杨氏模量和刚度。PeakForce QNM® 可即开即用，能够提供纳米分辨率的定量弹性模量成像，使研究人员可以更轻松、更高效地进行聚合物表征。

PeakForce QNM 层状堆砌图像显示了相界附近的纳米尺度下的结构和模量值。这些高分辨率图揭示了层界面附近片晶的有序度提高了。扫描尺寸 4µm。

定量粘弹性测量

聚合物的粘弹性性能对许多商业应用极为重要，涵盖从隔振和降噪到减震、防尘涂料及与温度相关的要求等方面。宏观尺度的性能受纳米尺度的结构（如相间、界面和畴结构）的控制。想要充分了解粘弹性行为，需要采用时温等效原理。

布鲁克的 AFM-nDMA模式可提供完全定量化的粘弹性性能成像，包括储能和损耗模量以及损耗角正切值（与粘附力分开）。流变温度和频率范围可实现纳米尺度的时温等效曲线构造。

四组分（COC、PE、LLDPE、弹性体）聚合物的高分辨率储能模量图（左）。在各点采集的储能模量谱（右）。

有机半导体的分子导电率成像

导电聚合物用于众多电学应用（如有机光伏电池）。有机半导体的电荷传输性能及载流子迁移率与结构的有序水平直接相关。能够在多个长度尺度上对导电路径进行成像，是提高效率的关键。PeakForce-TUNA 可实现分子分辨率的定量化电导率图，不会损坏精细的样品。采用该技术，研究人员目前可直接、可靠地将形貌与纳米力学性能相互关联。