Proprio come un viaggio di 1, 000 miglia iniziano con un singolo passo, le deformazioni e le fratture che causano guasti catastrofici nei materiali iniziano con alcune molecole strappate fuori posto. Questo a sua volta porta a una cascata di danni su scala sempre più ampia, culminando in un guasto meccanico totale. Questo processo è di urgente interesse per i ricercatori che studiano come costruire materiali compositi ad alta resistenza per componenti critici che vanno dalle ali degli aeroplani e le pale delle turbine eoliche alle articolazioni del ginocchio artificiali.

Ora gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno escogitato un modo per osservare gli effetti della deformazione a livello di singola molecola misurando come una forza applicata modifica l'allineamento tridimensionale delle molecole nel materiale.

La tecnica utilizza una singola molecola, microscopia ottica ad alta risoluzione, che può risolvere oggetti nell'intervallo di 20 nanometri (miliardesimi di metro), circa un decimo delle dimensioni di ciò che può essere visto alla messa a fuoco più nitida con un microscopio ottico convenzionale. Il nuovo metodo esamina un polimero drogato con molecole fluorescenti che emettono luce di una lunghezza d'onda quando vengono illuminate con luce di un'altra lunghezza d'onda. Un'immagine della luce emessa rivela non solo la posizione di una molecola, ma anche il suo orientamento orizzontale e verticale.

Il microscopio a super risoluzione, sviluppo del quale ha vinto il Premio Nobel 2014 per la Chimica, è stato ampiamente impiegato per applicazioni biomediche. "Ma abbiamo iniziato a chiederci cosa potresti farne nell'area dei materiali, " ha detto lo scienziato del NIST J. Alexander Liddle. "Cioè, come possiamo vedere cosa sta succedendo a livello molecolare nelle primissime fasi di deformazione o danneggiamento? Se questi meccanismi possono essere compresi, i ricercatori potrebbero essere in grado di progettare materiali compositi migliori in grado di inibire il fallimento".

I materiali compositi sono utilizzati in tutta l'industria per aumentare la resistenza e ridurre il peso. Per esempio, metà del materiale in peso in una cellula del Boeing 787 è plastica rinforzata con fibra di carbonio e altri compositi.

Per molti di questi materiali, è difficile vedere l'inizio precoce del danno perché non ci sono indicatori visibili per tracciare i suoi effetti. Per fornire quei marcatori nel loro esperimento, i ricercatori hanno usato un film molto sottile di un polimero trovato in lucite e plexiglas che era stato drogato con migliaia di molecole fluorescenti. Inizialmente, il polimero non era sollecitato, e le molecole fluorescenti incorporate erano in orientamenti completamente casuali in tre dimensioni. Quindi gli scienziati hanno applicato la forza al polimero, deformandolo in una direzione specifica controllata. Quando il polimero è stato teso, le molecole fluorescenti incorporate sono state trasportate insieme alla deformazione, perdendo il loro orientamento casuale e allineandosi con il percorso del danno. Quel percorso è stato reso visibile osservando lo schema della luce emessa dalle molecole fluorescenti incorporate, che agiva come una serie di piccole torce che indicavano la strada.

Prima dell'esperimento, gli scienziati hanno utilizzato un modello matematico che prevedeva come sarebbe apparsa la luce quando emessa da molecole in diversi allineamenti 3D. Quando illuminavano le molecole fluorescenti e creavano immagini della luce emessa, i risultati corrispondevano al modello. Dopo circa 10, 000 cicli di illuminazione, è emerso un modello rivelatore che mostra l'entità della deformazione.

"È una specie di dipinto puntinista, dove i singoli punti si accumulano per formare una forma, " ha detto Liddle.

Oltre alla chiara rilevanza della tecnica per la progettazione di materiali compositi essenziali, potrebbero esserci applicazioni anche in medicina.

"Supponiamo che tu abbia un nuovo bioimpianto, ad esempio una sostituzione del ginocchio, " ha detto Mitchell Wang, ora alla Northwestern University, che ha lavorato all'esperimento mentre era al NIST. "Per renderlo biocompatibile, sarà probabilmente fatto di polimeri morbidi, ma vuoi anche che il dispositivo abbia eccellenti proprietà meccaniche. Vuoi che funzioni facilmente pur essendo rigido e resistente. Questa tecnica potrebbe aiutare a informare il design in modo che i materiali utilizzati abbiano un'eccellente resistenza meccanica".

Ci sono molte strade per la ricerca futura. "Questa tecnica era uno studio post mortem, in quanto potremmo vedere il danno in un materiale dopo che è già successo, " ha detto Wang. "Il prossimo passo potrebbe essere quello di imparare come eseguire questo lavoro in tempo reale, per guardare non solo dove sta avvenendo il danno, ma quando."

Il team di Liddle sta anche sviluppando una tecnica di imaging migliorata. Implica la creazione di due set di immagini simultanee, uno su ciascun lato del polimero drogato. Da un lato, l'imaging viene prodotto con il metodo sopra descritto. Dall'altra, una lente separata raccoglie la luce fluorescente dal materiale e la divide in quattro diverse polarizzazioni nei singoli canali. Poiché la polarizzazione della luce emessa è influenzata dall'orientamento delle molecole fluorescenti, "se si misurano i rapporti di intensità in ciascun canale, puoi capire in quale direzione sta puntando la molecola, " Disse Liddle. "Questo ci darebbe una misura indipendente di orientamento."

Inoltre, gli scienziati sperano di migliorare la risoluzione di un fattore di circa cinque, consentendo loro di visualizzare aree di appena pochi nanometri. Ciò potrebbe essere ottenuto aumentando la luminosità delle molecole fluorescenti, magari riducendo la loro esposizione all'ossigeno, che spegne la fluorescenza.

Nel frattempo, Liddle ha detto, "mi stupisce ancora che posso guardare questo piccolo punto luminoso in un microscopio e sapere entro cinque o dieci nanometri dove si trova e anche sapere, entro pochi gradi, in che direzione sta puntando."