高分辨率、纳米级成像方法可以加速发现更耐用的材料

用手机拍一张照片，你可能会看到精彩的细节——树上的叶子，风中飘扬的头发。那根头发的宽度是100000纳米宽。使用光的最佳传统实验室显微镜可以捕捉到小至200纳米的细节，这是一种大型病毒的大小。最先进的光学显微镜可以分辨出小至20-50纳米的特征，或者大约是一个大蛋白质分子的大小

现在，塔夫茨大学的工程师们已经开发出一种成像方法，可以看到低至1.6纳米的细节——一个DNA分子的直径

现有成像技术的上限-称为原子力显微镜-已被用于检测单个原子，但结果更类似于粗略的黑白图像。原子只是表面上的凸起。没有关于原子或材料类型的“颜色”信息

由机械工程教授Igor Sokolov领导的团队开发并在《今日材料》上报道的新方法使用原子力显微镜，但将其与物理测量和机器学习相结合，以创建材料的高分辨率图

当微小的原子力显微镜探头扫描样品表面时，它可以分辨出下面是什么类型的分子。例如，如果材料是三种不同聚合物的复合物，它可以提供分子类型分布和复合物纳米级结构的彩色图，分辨率为1.6纳米

物理测量包括表面的轮廓、显微镜探头与表面断开连接时损失的能量，以及探头拉开时拉伸的材料“颈部”的长度。通过使用原子力显微镜的先进“振铃模式”（也在Sokolov的实验室开发），总共同时记录了12个不同的物理测量值

然后通过机器学习算法处理这些丰富的信息，该算法为样本中的每种材料创建一个配置文件

一种更快地分析新材料的方法

新的成像技术有可能在研究具有新型机械、电气或光学特性的材料方面发挥关键作用。复合聚合物可以具有优异的强度重量比、刚度、柔韧性、耐用性、耐热性等

例如，汽车保险杠是由聚合物和粘土颗粒的复合材料制成的，其开发代表了提高汽车制造中使用的塑料的耐用性、外观和安全性的突破。

纳米结构成像可以帮助加速新产品的开发。Sokolov说：“使用这种技术，我们可以更快地了解聚合物的质量。”

“例如，为了了解它的耐用性，我们可以将聚合物暴露在酸、热或紫外线下，然后以接近原子分辨率直接成像。由于这种技术的灵敏度和分辨率很高，我们可以比任何其他技术更早地看到变化，而其他技术可能只能检测到微米级的变化。”

一个应用是提高新塑料的环境可持续性。通过识别能够非常平稳地逐层降解的新型塑料复合材料，可以避免产生微塑料，微塑料通常是由聚合物的不均匀侵蚀产生的。随着这些塑料的分解，它们会污染环境，最终进入食物链，最终进入人体组织

找到能够承受各种条件的高度耐用的塑料也可能导致更好、更耐用的材料，这对于管道和建筑施工等应用来说是非常理想的

医疗保健应用可能包括对牙齿表面的研究，以更好地了解不同物质和病原体如何降解牙齿，并帮助开发可能有助于更有效地保护牙齿的涂层

Sokolov说：“纳米级的成像可以帮助将聚合物材料的开发推向更具分析性的方法。”

“今天的塑料生产是一门很大程度上基于反复试验的艺术。你将你认为可能会很好地结合在一起的聚合物混合在一起，在可能复制使用、老化和环境暴露的条件下进行测试，主要观察材料的宏观和微观变化。

”通过观察纳米级的变化，我们可以更快地推断出这些新材料随着时间的推移会发生什么。p