Net als een reis van 1, 000 mijl begint met een enkele stap, de vervormingen en breuken die catastrofale mislukkingen in materialen veroorzaken, beginnen met een paar moleculen die op hun plaats worden gescheurd. Dit leidt op zijn beurt tot een cascade van schade op steeds grotere schaal, culminerend in een totale mechanische storing. Dat proces is van groot belang voor onderzoekers die bestuderen hoe ze hoogwaardige composietmaterialen kunnen bouwen voor kritieke componenten, variërend van vliegtuigvleugels en windturbinebladen tot kunstmatige kniegewrichten.

Nu hebben wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's een manier bedacht om de effecten van spanning op het niveau van één molecuul te observeren door te meten hoe een uitgeoefende kracht de driedimensionale uitlijning van moleculen in het materiaal verandert.

De techniek maakt gebruik van één molecuul, optische microscopie met superresolutie, die objecten kan oplossen in het bereik van 20 nanometer (miljardste van een meter) - ongeveer een tiende van wat kan worden gezien op de scherpste focus met een conventionele optische microscoop. De nieuwe methode onderzoekt een polymeer dat is gedoteerd met fluorescerende moleculen die licht van één golflengte uitstralen wanneer ze worden verlicht met licht van een andere golflengte. Een afbeelding van het uitgezonden licht onthult niet alleen de locatie van een molecuul, maar ook de oriëntatie horizontaal en verticaal.

De superresolutiemicroscoop, ontwikkeling waarvan de Nobelprijs voor de Scheikunde 2014 won, is op grote schaal gebruikt voor biomedische toepassingen. "Maar we begonnen ons af te vragen wat je ermee zou kunnen doen op het gebied van materialen, " zei NIST-wetenschapper J. Alexander Liddle. "Dat wil zeggen, hoe kunnen we zien wat er op moleculair niveau gebeurt in de allereerste stadia van vervorming of schade? Als die mechanismen kunnen worden begrepen, onderzoekers kunnen mogelijk betere composietmaterialen ontwerpen die falen kunnen remmen."

Composietmaterialen worden in de hele industrie gebruikt om de sterkte te vergroten en het gewicht te verminderen. Bijvoorbeeld, de helft van het gewicht van het materiaal in een Boeing 787-casco is met koolstofvezel versterkt plastic en andere composieten.

Voor veel van dergelijke materialen het is moeilijk om het vroege begin van schade te zien omdat er geen zichtbare markeringen zijn om de effecten te volgen. Om die markers in hun experiment te geven, de onderzoekers gebruikten een zeer dunne film van een polymeer gevonden in Lucite en Plexiglas dat was gedoteerd met duizenden fluorescerende moleculen. aanvankelijk, het polymeer was niet gespannen, en de ingebedde fluorescerende moleculen waren in volledig willekeurige oriëntaties in drie dimensies. Toen oefenden de wetenschappers kracht uit op het polymeer, het vervormen in een gecontroleerde specifieke richting. Terwijl het polymeer werd gespannen, de ingebedde fluorescerende moleculen werden meegevoerd met de vervorming, hun willekeurige oriëntatie verliezen en in lijn liggen met het pad van de schade. Dat pad werd zichtbaar gemaakt door het patroon van uitgezonden licht van de ingebedde fluorescerende moleculen te observeren, die optrad als een reeks kleine zaklantaarns die de weg wezen.

Voorafgaand aan het experiment, de wetenschappers gebruikten een wiskundig model dat voorspelde hoe licht eruit zou zien wanneer het wordt uitgezonden door moleculen in verschillende 3D-uitlijningen. Toen ze de fluorescerende moleculen verlichtten en beelden maakten van het uitgestraalde licht, de resultaten kwamen overeen met het model. Na ongeveer 10, 000 cycli van verlichting, er ontstond een veelbetekenend patroon dat de mate van vervorming aantoonde.

"Het is een soort pointillistisch schilderij, waar individuele stippen zich ophopen om een ​​vorm te vormen, ' zei Lidl.

Naast de duidelijke relevantie van de techniek voor het ontwerp van essentiële composietmaterialen, misschien zijn er ook toepassingen in de geneeskunde.

"Laten we zeggen dat u een nieuw bio-implantaat heeft, bijvoorbeeld een knievervanging, " zei Mitchell Wang, nu aan de Northwestern University, die aan het experiment werkte terwijl hij bij NIST was. "Om het biocompatibel te maken, het zal waarschijnlijk gemaakt zijn van zachte polymeren, maar je wilt ook dat het apparaat uitstekende mechanische eigenschappen heeft. Je wilt dat hij gemakkelijk te bedienen is en tegelijkertijd stijf en taai is. Deze techniek kan helpen bij het ontwerpen, zodat de gebruikte materialen een uitstekende mechanische sterkte hebben."

Er zijn veel mogelijkheden voor toekomstig onderzoek. "Deze techniek was een post-mortem onderzoek, in dat we de schade in een materiaal konden bekijken nadat het al was gebeurd, Wang zei. "De volgende stap zou kunnen zijn om te leren hoe je dit werk in realtime kunt uitvoeren, om niet alleen te kijken waar de schade zich voordoet, maar wanneer."

Het team van Liddle ontwikkelt ook een verbeterde beeldvormingstechniek. Het omvat het maken van twee gelijktijdige beeldsets - één aan elke kant van het gedoteerde polymeer. Aan de ene kant, beeldvorming wordt geproduceerd door de hierboven beschreven methode. Op de andere, een aparte lens verzamelt fluorescerend licht uit het materiaal en verdeelt het in vier verschillende polarisaties in afzonderlijke kanalen. Omdat de polarisatie van het uitgezonden licht wordt beïnvloed door de oriëntatie van de fluorescerende moleculen, "Als je de verhoudingen van de intensiteit in elk kanaal meet, je kunt uitzoeken in welke richting het molecuul wijst, ' zei Liddle. 'Dat zou ons een onafhankelijke mate van oriëntatie geven.'

In aanvulling, de wetenschappers hopen de resolutie met een factor vijf te verbeteren, waardoor ze gebieden van slechts enkele nanometers kunnen afbeelden. Dit kan worden bereikt door de helderheid van de fluorescerende moleculen te verhogen, misschien door hun blootstelling aan zuurstof te verminderen, die de fluorescentie uitschakelt.

In de tussentijd, Lidl zei, "het verbaast me nog steeds dat ik naar dit kleine lichtpuntje in een microscoop kan kijken en binnen vijf of tien nanometer weet waar het is en ook weet, binnen een paar graden, in welke richting het wijst."