Исследователи из Института механики сплошных сред Уральского отделения РАН (Пермь) 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 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, неоднородность материала. Кроме того, в случае применения стандартных методик требуется глубокое внедрение зонда, что может повредить образец и создать ложное впечатление, что наночастицы выступают над поверхностью.
Новый алгоритм, разработанный в лаборатории микромеханики структурно-неоднородных сред Института механики сплошных сред УрО РАН (филиал ПФИЦ УрО РАН) Р. И. Изюмовым и А. Л. Свистковым, 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, — поясняют авторы. — 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.
Несомненными преимуществами метода являются возможность определения относительного расположения частиц, различия пересекающихся структур и анализа пространственной конфигурации наполнителя. В перспективе возможна калибровка для получения абсолютных значений глубин. Метод не требует выравнивания поверхности и может быть рекомендован для быстрого и неразрушающего исследования эластомерных нанокомпозитных материалов.
Работа выполнена в рамках крупного научного проекта, финансируемого Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2024-535 от 23 апреля 2024 г.).
Результаты опубликованы: Izyumov R.I., Svistkov A.L. Theoretical basis and experimental application of the dissipative properties analysis method for mapping particle distribution in the subsurface layer of elastomeric nanocomposites // International Journal of Solids and Structures. 2026. Vol. 341. 114298.
На обложке: Слева – изображение поверхности образца эластомера с включением из нанотрубок, полученное при помощи традиционных методов атомно-силовой микроскопии. Справа – реконструкция при помощи разработанного алгоритма. Углеродные нанотрубки отчетливо видны, что позволяет проводить последующий количественный анализ.
Источник: Минобрнауки России
