In manchen Materialien reihen sich die Moleküle in einem regelmäßigen, sich wiederholenden Muster aneinander. In anderen zeigen sie alle in zufällige Richtungen. Aber in vielen fortschrittlichen Materialien, die in der Medizin, der Herstellung von Computerchips und anderen Industrien verwendet werden, ordnen sich die Moleküle in komplexen Mustern an, die die Eigenschaften des Materials bestimmen.
Wissenschaftler hatten keine guten Möglichkeiten, die molekulare Orientierung in drei Dimensionen auf mikroskopischer Ebene zu messen, was sie im Dunkeln ließ, warum sich einige Materialien so verhalten, wie sie es tun. Jetzt haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) die 3D-Ausrichtung der molekularen Bausteine von Kunststoffen, Polymere genannt, gemessen und Details von nur 400 Nanometern oder Milliardstel Metern Größe beobachtet.
Die Messungen, beschrieben in der Zeitschrift der American Chemical Society, zeigen Polymerketten, die sich auf komplexe und unerwartete Weise winden und wellen. Die neuen Messungen wurden mit einer aufgemotzten Version einer Technik namens Broadband Coherent Anti-Stokes Raman Scattering oder BCARS durchgeführt.
BCARS funktioniert, indem Laserstrahlen auf ein Material gerichtet werden, wodurch seine Moleküle vibrieren und als Reaktion darauf ihr eigenes Licht emittieren. Diese Technik, die vor etwa einem Jahrzehnt am NIST entwickelt wurde, wird verwendet, um festzustellen, woraus ein Material besteht. Um die molekulare Orientierung zu messen, hat der NIST-Forschungschemiker Young Jong Lee ein System zur Steuerung der Polarisation des Laserlichts und neue mathematische Methoden zur Interpretation des BCARS-Signals hinzugefügt.
Insbesondere misst die neue Technik die durchschnittliche Orientierung der Polymerketten innerhalb von 400-Nanometer-Regionen zusammen mit der Verteilung der Orientierungen um diesen Durchschnitt herum. Diese Messungen werden es den Wissenschaftlern ermöglichen, molekulare Orientierungsmuster zu identifizieren, die die gewünschten mechanischen, optischen und elektrischen Eigenschaften erzeugen.
„Das Verständnis dieser Beziehung zwischen Struktur und Funktion kann den Entdeckungsprozess wirklich beschleunigen“, sagte Lee.
Dies wird Forschern helfen, die Materialien zu optimieren, die in medizinischen Geräten wie arteriellen Stents und künstlichen Knien verwendet werden. Die Ausrichtung der Moleküle auf der Oberfläche dieser Geräte hilft bei der Bestimmung, wie gut sie sich mit Muskeln, Knochen und anderen Geweben verbinden.
Es kann auch bei der additiven Fertigung helfen, bei der Produkte Schicht für Schicht durch 3D-Druck hergestellt werden – eine Technik, die die Elektronik-, Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie und andere Industrien verändert. Beim 3D-Druck werden häufig Polymere verwendet, und Forscher suchen ständig nach neuen Polymeren mit besserer Festigkeit, Flexibilität, Hitzebeständigkeit und anderen Eigenschaften.
Die neue Messtechnik könnte auch zur Optimierung der polymerbasierten ultradünnen Filme in der Halbleiterfertigung eingesetzt werden. Da die Komponenten in Computerchips immer kleiner werden – wie es das Mooresche Gesetz voraussagt – werden die molekularen Orientierungen in diesen Filmen immer wichtiger.
Mehr Informationen:
Shuyu Xu et al, 3D-Orientierungsbildgebung von Polymerketten mit polarisationsgesteuerter kohärenter Raman-Mikroskopie, Zeitschrift der American Chemical Society (2022). DOI: 10.1021/jacs.2c10029