Dans certains matériaux, les molécules s’alignent selon un motif régulier et répétitif. Dans d’autres, ils pointent tous dans des directions aléatoires. Mais dans de nombreux matériaux de pointe utilisés en médecine, dans la fabrication de puces informatiques et dans d’autres industries, les molécules s’organisent selon des schémas complexes qui dictent les propriétés du matériau.
Les scientifiques n’ont pas eu de bons moyens de mesurer l’orientation moléculaire en trois dimensions à l’échelle microscopique, les laissant dans l’ignorance de la raison pour laquelle certains matériaux se comportent comme ils le font. Maintenant, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mesuré l’orientation 3D des blocs de construction moléculaires des plastiques, appelés polymères, en observant des détails aussi petits que 400 nanomètres, ou milliardièmes de mètre, en taille.
Les mesures, décrites dans le Journal de l’American Chemical Society, montrent des chaînes polymères qui se tordent et ondulent de manière complexe et inattendue. Les nouvelles mesures ont été effectuées à l’aide d’une version améliorée d’une technique appelée diffusion cohérente anti-Stokes Raman à large bande, ou BCARS.
BCARS fonctionne en faisant briller des faisceaux laser sur un matériau, faisant vibrer ses molécules et émettant leur propre lumière en réponse. Cette technique, développée il y a une dizaine d’années au NIST, est utilisée pour identifier la composition d’un matériau. Pour mesurer l’orientation moléculaire, le chercheur chimiste du NIST Young Jong Lee a ajouté un système de contrôle de la polarisation de la lumière laser et de nouvelles méthodes mathématiques pour interpréter le signal BCARS.
Plus précisément, la nouvelle technique mesure l’orientation moyenne des chaînes polymères dans les régions de 400 nanomètres, ainsi que la distribution des orientations autour de cette moyenne. Ces mesures permettront aux scientifiques d’identifier les modèles d’orientation moléculaire qui produisent les propriétés mécaniques, optiques et électriques qu’ils recherchent.
« Comprendre cette relation structure/fonction peut vraiment accélérer le processus de découverte », a déclaré Lee.
Cela aidera les chercheurs à optimiser les matériaux utilisés dans les dispositifs médicaux tels que les stents artériels et les genoux artificiels. L’orientation des molécules à la surface de ces dispositifs aide à déterminer dans quelle mesure elles se lient aux muscles, aux os et aux autres tissus.
Cela peut également aider à la fabrication additive, dans laquelle les produits sont fabriqués en les imprimant en 3D, couche après couche, une technique qui transforme les industries de l’électronique, de l’automobile, de l’aérospatiale et d’autres. L’impression 3D utilise souvent des polymères et les chercheurs en recherchent constamment de nouveaux avec une meilleure résistance, flexibilité, résistance à la chaleur et d’autres propriétés.
La nouvelle technique de mesure pourrait également être utilisée pour optimiser les films ultra-minces à base de polymères utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs. À mesure que les composants des puces informatiques deviennent de plus en plus petits, comme le prédit la loi de Moore, les orientations moléculaires de ces films deviennent de plus en plus importantes.
Plus d’information:
Shuyu Xu et al, Imagerie d’orientation 3D des chaînes de polymères avec microscopie Raman cohérente contrôlée par polarisation, Journal de l’American Chemical Society (2022). DOI : 10.1021/jacs.2c10029