Построение карт фазового сдвига включений в подповерхностном слое нанокомпозита для подготовки моделей машинного обучения в атомно-силовой микроскопии
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2026.19.3.25Ключевые слова:
атомно-силовая микроскопия, карта фазового сдвига, диссипативные потери, бутадиен-стирольный каучук, нанокомпозит, машинное обучение, конечно-элементное моделированиеАннотация
Контроль качества распределения нанонаполнителя (углеродных нанотрубок, технического углерода) критически важен для свойств полимерных нанокомпозитов. Существующие методы атомно-силовой микроскопии (АСМ) способны по двумерным картам фазового контраста косвенно оценивать распределение, тогда как более точные трёхмерные методы требуют либо длительных экспериментов, либо ресурсоёмкого конечно-элементного моделирования, что ограничивает их практическое использование. В работе предлагается подход к созданию базы синтетических данных, которая в перспективе позволит применять методы машинного обучения для ускоренного восстановления распределения наполнителя по данным фазового контраста АСМ. Генерация базы синтетических данных для обучения нейронной сети осуществляется в среде MATLAB и включает вариацию ключевых параметров: геометрии и глубины залегания частиц; формы зонда; упругих и поверхностно-энергетических свойств материалов. Для получения данных требуется проведение вычислений связи фазового сдвига, определяемого в полуконтактном режиме АСМ, с глубиной залегания частиц. Сформированный массив данных демонстрирует прямую корреляцию между фазовым изображением поверхности (стандартным выходным сигналом АСМ в полуконтактном режиме) и трёхмерным распределением включений в подповерхностном слое. В работе показано влияние геометрических параметров (радиуса частиц, глубины их залегания, радиуса зонда) на качество и вид теоретических карт диссипации. Выявлено, что диссипативные потери, вызывающие фазовый сдвиг, нелинейно зависят от глубины расположения частиц наполнителя. За счёт этого становится возможным устранение неопределённости при обратном восстановлении структуры, а также оперативный количественный анализ нанокомпозитов, а в перспективе – учёт более сложных морфологий наполнителя (агломератов, цепочечных структур).
Скачивания
Библиографические ссылки
Anczykowski B., Gotsmann B., Fuchs H., Cleveland J.P., Elings V.B. How to measure energy dissipation in dynamic mode atomic force microscopy // Applied Surface Science. 1999. Vol. 140, no. 3/4. P. 376–382. DOI: 10.1016/s0169-4332(98)00558-3
Garcia R., Gómez C.J., Martinez N.F., Patil S., Dietz C., Magerle R. Identification of Nanoscale Dissipation Processes by Dynamic Atomic Force Microscopy // Physical Review Letters. 2006. Vol. 97, no. 1. 016103. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.016103
Schröter K., Petzold A., Henze T., Thurn-Albrecht T. Quantitative Analysis of Scanning Force Microscopy Data Using Harmonic Models // Macromolecules. 2009. Vol. 42, no. 4. P. 1114–1124. DOI: 10.1021/ma8024464
Spitzner E.-C., Riesch C., Magerle R. Subsurface Imaging of Soft Polymeric Materials with Nanoscale Resolution // ACS Nano. 2011. Vol. 5, no. 1. P. 315–320. DOI: 10.1021/nn1027278
Изюмов Р.И., Свистков А.Л. Математическая модель механического взаимодействия тел нанометрового масштаба // Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика. 2024. № 4. C. 35–45. DOI: 10.17072/1993-0550-2024-4-35-45
Paruchuri A., Wang Y., Gu X., Jayaraman A. Machine Learning for Analyzing Atomic Force Microscopy (AFM) Images Generated from Polymer Blends // Digital Discovery. 2024. Vol. 3, no. 12. P. 2533–2550. DOI: 10.1039/d4dd00215f
Morozov I.A., Izyumov R.I., Beliaev A.Y. AFM Indentation and Machine Learning in Analysis of Filler Distribution in Rubber // Journal of Applied Polymer Science. 2026. Vol. 143, no. 13. e70370. DOI: 10.1002/app.70370
Thiem J., Cole D.P., Dubey U., Srivastava A., Ashraf C., Henry T.C., Bakis C.E., Vashisth A. Using data science to locate nanoparticles in a polymer matrix composite // Composites Science and Technology. 2022. Vol. 218. 109205. DOI: 10.1016/j.compscitech.2021.109205
Ghasemi H., Yazdani H. Atomistic simulation and machine learning predictions of mechanical response in nanotube-polymer composites considering filler morphology and aggregation // Computational Materials Science. 2025. Vol. 246. 113399. DOI: 10.1016/j.commatsci.2024.113399
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. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2026.114298
Derjaguin B., Muller V., Toporov Y. Effect of contact deformations on the adhesion of particles // Journal of Colloid and Interface Science. 1975. Vol. 53, no. 2. P. 314–326. DOI: 10.1016/0021-9797(75)90018-1
Johnson K.L., Kendall K., Roberts A.D. Surface energy and the contact of elastic solids // Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 1971. Vol. 324, no. 1558. P. 301–313. DOI: 10.1098/RSPA.1971.0141
Onozuka N., Nakajima K. Atomic Force Microscopy Analysis of Velocity Dependent Adhesive Viscoelastic Contact // Langmuir. 2024. Vol. 40, no. 46. P. 24565–24575. DOI: 10.1021/acs.langmuir.4c03370
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2026 Вычислительная механика сплошных сред

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.