Анализ топографии и модуля Юнга нитевидной целлюлозы с помощью атомно-силовой микроскопии

ИЮЛ292016

Углеродные нанотрубки (УНТ) являются популярным объектом для исследований и применяются в различных областях. Однако их очень сложно изготавливать в большом количестве. В результате исследователи начали поиск альтернативных материалов с похожими свойствами. Одним из таких материалов, способным заменить УНТ в некоторых применениях, стала нитевидная целлюлоза (CNW), которая легко может быть получена из растительных источников.

Для определения возможности замены УНТ на CNW важно показать, что два материала имеют похожую морфологию и наномеханические свойства. Для начала необходимо получить точные данные о свойствах CNW, что установить линию сравнения с УНТ. Для этого было взято три образца CNW, которые были исследованы с помощью атомно-силового микроскопа с использованием бесконтактного режима измерения и быстрого наномеханического метода PinPoint Nanomechanical. Целью исследования была возможность получения качественного топографического изображения CNW для определения размеров нитевидной структуры и их модуля Юнга.

Данные показывают, что волокна структуры имеют длину в диапазоне 100 – 1000 нм и ширину 1 – 3 нм. Исследование свойств с помощью метода PinPoint Nanomechanical показало, что волокна обладают модулем упругости порядка 180 ГПа. Полученные свойства не только обосновывают возможность замены УНТ на нитевидную целлюлозу, но также показывают возможность применения атомно-силовой микроскопии для их исследования.

Введение

Нитевидная целлюлоза представляет собой биополимерный материал ^[1], который внешне и по своим свойствам похож на карбоновые нанотрубки. Но, в отличие от УНТ, которые тяжело изготавливать в больших объемах, CNW можно изготавливать из деревьев и других растений, что делает источники для их изготовления фактическими неиссякаемыми, а массовое производство более дешевым. Благодаря таким преимуществам использование CNW вместо УНТ позволяет изготавливать современные, а также более легкие и прочные нанокомпозитные материалы ^[2]. Механические свойства таких материалов могут сильно зависеть от формы, размеров и морфологии CNW волокон, которые добавляются именно для укрепления. Поэтому для точного определения свойств и формы CNW требуются самые современные технологии ^{[3, 4]}.

Эксперимент

Три образца CNW в виде суспензии были подготовлены для эксперимента. Образцы были обозначены как Образец 1, Образец 2, Образец 3. Капля суспензии с каждым образцом, разбавленная с деионизированной водой, была помещена на слюдяную подложку. Остатки капель были сдуты струей воздуха, а затем образец был оставлен на просушку. Далее образец был помещен для исследования на атомно-силовой микроскоп. В данном эксперименте использовался атомно-силовой микроскоп NX10 компании Park Systems. Сканирование производилось с помощью бесконтактного режима измерений и PinPoint Nanomechanical метода при использовании кантилевера, изготовленного на основе кремния.

Результат

Все три исследованных образца имеют похожую форму и размеры. Анализ топографического изображения Образца 1 (см. рис. 1a) показывает, что CNW волокна преимущественно прямые и длинные. Данные волокна длиной примерно 100 – 1000 нм и шириной порядка 1 – 3 нм, что видно при проведении анализа по выбранному сечению (см. рис. 1b). Предполагается, что CNW волокна имеют круглую форму и их ширина определяется путем измерения их высоты. Следует отметить, что волокна целлюлозы хорошо расположены и ориентированы вдоль некоторого диагонального направления. Это может быть обосновано тем, что при подготовке образца и сдувании остатков влаги струей воздуха, капля вынуждена была течь с одной стороны в другую, таким образом, оказав силовое воздействие на волокна и их расположение.

На других рисунках (рис. 2a/2b и рис. 3a/3b) CNW волокна также имеют похожую форму и размеры, несмотря на отличие в расположении. Видно, что данные волокна в большинстве также расположены вдоль определенного направления, но не так плотно, как в первом случае. Это объясняется тем, что Образец 1 был не так сильно разбавлен деионизированной водой, как Образец 2 и Образец 3.

Рис. 1. Топографическое изображение каждого из образцов CNW

На рисунке 2 представлено топографическое изображение волокон CNW, наложенное на данные о модуле Юнга, полученные с помощью метода PinPoint Nanomechanical. В данном методе для каждого пикселя, для которого получено топографическое изображение, строится дистанционная силовая (FD) кривая, по которой определяется модуль упругости и соотносится с топографическим изображением. Более темные области рисунка соответствуют меньшему значению модуля упругости. CNW волокна отображаются более темными тонами по сравнению со слюдяной подложкой, что говорит о том, что они не такие жесткие, как подложка. Анализ модуля упругости вдоль выбранного сечение показал, что модуль Юнга для CNW волокон составляет порядка 180 ГПа, тогда как для подложки он составляет около 210 ГПа. Измеренное значение модуля упругости CNW волокон близко к 150 ГПа. Это значение ранее предсказывалось теоретически ^[5].

Рис. 2. Топографическое изображение волокон с данными о модуле Юнга

Заключение

Было продемонстрировано, что волокна нитевидной целлюлозы можно измерять с высокой точностью и высоким разрешением с помощью атомно-силовых микроскопов компании Park Systems. Образцы CNW, подготовленные правильным образом, были измерены для определения их длины, ширины, а также модуля упругости каждого отдельного волокна. Эти результаты показывают, что АСМ можно применять как для определения топографических характеристик, так и для определения наномеханических свойств CNW.

Подробные характеристики атомно-силового микроскопа Park NX10

Ссылки

[1] Yanxia Zhang, Tiina Nypelo, Carlos Salas, Julio Arboleda, Ingrid C. Hoeger, Orlando J. Rojas, J. Renew. Mater., Vol. 1, No. 3, July 2013.

[2] Xuezhu Xu, Haoran Wang, Long Jiang, Xinnan Wang, Scott A. Payne, J. Y. Zhu, and Ruipeng Li, Macromolecules 2014, 47, 3409−3416

[3] Michael T Postek, Andr´as Vlad´ar1, John Dagata1, Natalia Farkas, Bin Ming1, Ryan Wagner, Arvind Raman, Robert J Moon, Ronald Sabo, Theodore H Wegner and James Beecher, Meas. Sci. Technol. 22 (2011) 024005.

[4] Ingrid Hoeger, Orlando J. Rojas, Kirill Efimenko, Orlin D. Velevc and Steve S. Kelleya, Soft Matter, 2011, 7, 1957.

[5] Xiaodong Cao, Youssef Habibi1, Washington Luiz Esteves Magalhães, Orlando J. Rojas, and Lucian A. Lucia, CURRENT SCIENCE, VOL. 100, NO. 8, 25 APRIL 2011