Ny billeddannelsesteknik afslører, hvordan mekanisk skade begynder på molekylær skala

Lige som en rejse på 1, 000 miles begynder med et enkelt trin, deformationer og brud, der forårsager katastrofalt svigt i materialer, begynder med et par molekyler, der er revet ud af stedet. Dette fører igen til en kaskade af skader på stadig større skalaer, kulminerede i total mekanisk sammenbrud. Denne proces er af hastende interesse for forskere, der studerer, hvordan man bygger kompositmaterialer med høj styrke til kritiske komponenter lige fra flyvinger og vindmøllevinger til kunstige knæled.

Nu har forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger udtænkt en måde at observere virkningerne af belastning på enkeltmolekylniveau ved at måle, hvordan en anvendt kraft ændrer den tredimensionelle justering af molekyler i materialet.

Teknikken anvender enkeltmolekyle, superopløselig optisk mikroskopi, som kan løse objekter i intervallet 20 nanometer (milliarder af en meter)-cirka en tiendedel af det, der kan ses med det skarpeste fokus med et konventionelt optisk mikroskop. Den nye metode undersøger en polymer doteret med fluorescerende molekyler, der udsender lys med en bølgelængde, når de belyses med lys af en anden bølgelængde. Et billede af det udsendte lys afslører ikke kun et molekyls placering, men også dens orientering vandret og lodret.

Superopløsningsmikroskopet, hvis udvikling vandt Nobelprisen i kemi 2014, har været bredt ansat til biomedicinske applikationer. "Men vi begyndte at spekulere på, hvad du kunne gøre med det på materialerområdet, "sagde NIST -forskeren J. Alexander Liddle." Det vil sige, hvordan kan vi se, hvad der sker på molekylært niveau i de tidligste stadier af deformation eller skade? Hvis disse mekanismer kan forstås, forskere kan muligvis designe bedre kompositmaterialer, der kan hæmme fiasko. "

Kompositmaterialer bruges i hele industrien til at øge styrken og reducere vægten. For eksempel, halvdelen af ​​materialet i vægt i en Boeing 787 flyramme er kulfiberforstærket plast og andre kompositter.

For mange sådanne materialer, det er svært at se den tidlige begyndelse af skader, fordi der ikke er nogen synlige markører til at spore dens virkninger. For at give disse markører i deres eksperiment, forskerne brugte en meget tynd film af en polymer fundet i Lucite og plexiglas, der var blevet dopet med tusinder af fluorescerende molekyler. I første omgang, polymeren var ustresset, og de indlejrede fluorescerende molekyler var i helt tilfældige orienteringer i tre dimensioner. Derefter anvendte forskerne kraft på polymeren, deformere den i en kontrolleret specifik retning. Da polymeren blev anstrengt, de indlejrede fluorescerende molekyler blev båret sammen med deformationen, mister deres tilfældige orientering og stiller op med skadens vej. Denne vej blev gjort synlig ved at observere mønsteret af udsendt lys fra de indlejrede fluorescerende molekyler, som virkede som en række små lommelygter, der pegede vejen.

Inden forsøget, forskerne brugte en matematisk model, der forudsagde, hvordan lys ville se ud, når det udsendes af molekyler i forskellige 3D-opstillinger. Da de belyste de fluorescerende molekyler og lavede billeder af det udsendte lys, resultaterne matchede modellen. Efter cirka 10, 000 cykler med belysning, der fremkom et talende mønster, der viste omfanget af deformation.

"Det er lidt som et pointillistisk maleri, hvor enkelte prikker bygger sig op for at danne en form, "Sagde Liddle.

Ud over teknikkens klare relevans for design af essentielle kompositmaterialer, der kan også være applikationer inden for medicin.

"Lad os sige, at du har et nyt bioimplantat - f.eks. en knæudskiftning, "sagde Mitchell Wang, nu på Northwestern University, der arbejdede på eksperimentet, mens han var på NIST. "For at gøre det biokompatibelt, det vil sandsynligvis være fremstillet af bløde polymerer, men du vil også have, at enheden har fremragende mekaniske egenskaber. Du vil have den til at fungere let og samtidig være stiv og hård. Denne teknik kan hjælpe med at informere design, så de anvendte materialer har fremragende mekanisk styrke. "

Der er mange muligheder for fremtidig forskning. "Denne teknik var en post-mortem undersøgelse, ved at vi kunne se skaden i et materiale efter det allerede skete, "Sagde Wang." Det næste trin kan være at lære at udføre dette arbejde i realtid, at se ikke kun, hvor skaden sker, men når."

Liddles team udvikler også en forbedret billeddannelsesteknik. Det indebærer at lave to samtidige billedsæt - et på hver side af den dopede polymer. På den ene side, billeddannelse fremstilles ved metoden beskrevet ovenfor. På den anden, en separat linse samler fluorescerende lys fra materialet og opdeler det i fire forskellige polarisationer i individuelle kanaler. Fordi polariseringen af ​​det udsendte lys påvirkes af orienteringen af ​​de fluorescerende molekyler, "hvis du måler intensitetsforholdene i hver kanal, du kan finde ud af hvilken retning molekylet peger, "Liddle sagde." Det ville give os et uafhængigt mål for orientering. "

Ud over, forskerne håber at forbedre opløsningen med en faktor på cirka fem - så de kan billedområder, der er så små som et par nanometer. Dette kunne opnås ved at øge lysstyrken af ​​de fluorescerende molekyler, måske ved at reducere deres eksponering for ilt, som lukker fluorescens.

I mellemtiden, Liddle sagde, "det undrer mig stadig, at jeg kan se på dette lille lyspunkt i et mikroskop og inden for fem eller ti nanometer vide, hvor det er og også vide, inden for få grader, i hvilken retning det peger. "