Projekt

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High resolution AFM combined with high resolution IR spectroscopy

Titel Englisch High resolution AFM combined with high resolution IR spectroscopy
Gesuchsteller/in Poulikakos Lily
Nummer 170754
Förderungsinstrument R'EQUIP
Forschungseinrichtung Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA)
Hochschule Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt - EMPA
Hauptdisziplin Materialwissenschaften
Beginn/Ende 01.07.2017 - 30.06.2018
Bewilligter Betrag 180'000.00
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Keywords (3)

materials characterization ; IR spectroscopy; AFM

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Das Gerät nano-IR erlaubt die Integration eines AFM (Atomic Force Microscope) mit Infrarot IR-Spektroskopie an jedem AFM Bildpunkt.Somit wird es möglich den Mikrostrukturen an der Oberfläche deren chemische Eigenschaften zuzu-ordnen. Diese Fähigkeit ist notwendig, da moderne Materialien als Komposite aus verschie-denen Bestandteilen zusammengesetzt sind. Das Erforschen des Verhaltens dieser Bestand-teile ermöglicht uns, diese Materialien besser zu verstehen und zu optimieren. Das Gerät wird vom SNF, der Empa und ETH finanziert.
Lay summary

Mit dem Gerät nano-IR können die chemischen Zusammensetzungen eines Materials sowie deren Mikrostruktur untersucht werden. Es ist in der heutigen Zeit wesentlich, diese beiden Eigenschaften untersuchen zu können, da Materialien mittlerweile oftmals aus mehreren chemischen Verbindungen zusammengesetzt sind und die Bestimmung und Analyse der Einzelkomponenten für die Weiterentwicklung und Verbesserung eines Materials von grosser Wichtigkeit sind. Die Fähigkeit des Gerätes, molekulare Bausteine des zu untersuchenden Materials dreidimensional darzustellen, trägt dazu bei, das Material von Grund auf zu begreifen und vor allem seine Eigenschaften und den Produktionsablauf zu optimieren.

Die Besonderheit des AFM besteht aus einer speziellen Spektromikroskoskopietechnik, der PTIR (Photothermal Induced Resonance). Dabei wird mit einer winzigen Spitze die Oberfläche eines Materials abgetastet. Gleichzeitig wird das Material unter der Spitze mit einem pulsierenden Infrarotlaser leicht erhitzt, wodurch sich das Material ausdehnt. Die Art und Weise wie sich das Material ausdehnt lässt Rückschlüsse auf die chemischen Eigenschaften zu.

Man kann also in einer Messung gleichzeitig die Topographie der Oberfläche sowie die chemische Zusammensetzung des Materials ermitteln.

An der Empa gibt es viele Anwendungsmöglichkeiten für AFM-IR in verschiedenen Abteilungen. Man kann zum Beispiel die Mikrostruktur von Recyclingasphalt untersuchen um zu ermitteln wie sich alte und neue Komponenten im Recyclingprozess mischen.

Die Nanoscale IR Spektrometrie kann auch als Werkzeug für die Bestimmung von sogenannten Sol-Gel-Materialien eingesetzt werden. Kombiniert man die detaillierten, morphologischen und chemischen Ergebnisse in räumlich bestimmten Gebieten, ergibt sich eine exzellente Möglichkeit, die Eigenschaften von eisabweisenden Oberflächen unter erschwerten Umweltbedingungen zu erforschen.

 
Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 05.07.2017

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

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Abstract

The aim of this proposal is to improve the materials characterization capabilities at Empa by acquiring a device that allows combining chemical composition of materials with its micro-structure. This capability is vital as modern materials are often composites and the identification and characterization of the components are important in their development and characterization. The ability to spatially resolve the distribution of different molecular species within samples will increase the understanding of these materials (fundamental research) and, more importantly, help to optimize materials and their production processes (technology transfer).This capability is due to a spectro-microscopy technique, called photothermal induced resonance (PTIR) allowing to measure the local infrared absorption spectrum of a sample shined with a tunable infrared laser pulse, and thereby detecting the induced photothermal expansion with the tip of an atomic force microscope (AFM) (Dazzi, Glotin, & Carminati, 2010). The device allows topographic imaging using AFM combined with chemical mapping using NanoIR mappings measured at a fixed wavenumber. A wide range of applications has been reported in the literature. For example using nanoscale infrared characterizations it was shown the morphology and structure of polymer nanostructures remain unchanged after many photocatalytic cycles (Ghosh et al., 2015).Specific applications of the device to various users at Empa and ETHZ is discussed in brief in the sequel: Investigating the chemistry and connecting the chemistry to the microstructure of as-phalt concrete is an important step in characterizing the various components in the material. This is especially important in recycling, allowing the identification of blending between old and new components or in the case of the addition of waste products as performance enhancing additives. To date most of the information in this area is obtained separately.Nanoscale IR spectroscopy can be used as a tool for the characterization of advanced sol-gel materials.To characterize 2D J-aggregate channels for mesoscopic solar cells to design antenna sys-tems for charge transfer processes and to provide conducting channels for charge carrier extraction. Using wavenumber selective mapping, the orientation of molecules can be mapped in the 2D monolayer films and tubular aggregates. Therefore, this chemical mapping tech-nique will be complementary to SNOM maps depending upon the polarization of the light.By combining detailed morphological and chemical information at spatially selective areas, we will have an excellent ability to interpret the performance of icephobic surfaces under extreme environmental conditions. The access to an AFM-IR setup would provide valuable data on the correlation between the surface composition of biocellulose substrates and their antifouling properties. These results will pave the way to in vitro tests investigating the activation of macrophages and other inflammatory mediators.
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