En algunos materiales, las moléculas se alinean en un patrón regular y repetitivo. En otros, todos apuntan en direcciones aleatorias. Pero en muchos materiales avanzados utilizados en medicina, fabricación de chips de computadora y otras industrias, las moléculas se organizan en patrones complejos que dictan las propiedades del material.
Los científicos no han tenido buenas formas de medir la orientación molecular en tres dimensiones a escala microscópica, dejándolos en la oscuridad acerca de por qué algunos materiales se comportan de la forma en que lo hacen. Ahora, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han medido la orientación 3D de los componentes básicos moleculares de los plásticos, llamados polímeros, observando detalles tan pequeños como 400 nanómetros, o milmillonésimas de metro, en tamaño.
Las medidas, descritas en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense, muestran cadenas de polímeros retorciéndose y ondulando de formas complejas e inesperadas. Las nuevas mediciones se realizaron utilizando una versión mejorada de una técnica llamada dispersión Raman anti-Stokes coherente de banda ancha, o BCARS.
BCARS funciona haciendo brillar rayos láser en un material, lo que hace que sus moléculas vibren y emitan su propia luz en respuesta. Esta técnica, desarrollada hace aproximadamente una década en el NIST, se utiliza para identificar de qué está hecho un material. Para medir la orientación molecular, el químico investigador del NIST, Young Jong Lee, agregó un sistema para controlar la polarización de la luz láser y nuevos métodos matemáticos para interpretar la señal BCARS.
Específicamente, la nueva técnica mide la orientación promedio de las cadenas de polímero dentro de regiones de 400 nanómetros, junto con la distribución de orientaciones alrededor de ese promedio. Estas medidas permitirán a los científicos identificar patrones de orientación molecular que produzcan las propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas que buscan.
«Comprender esa relación estructura/función realmente puede acelerar el proceso de descubrimiento», dijo Lee.
Esto ayudará a los investigadores a optimizar los materiales utilizados en dispositivos médicos como stents arteriales y rodillas artificiales. La orientación de las moléculas en la superficie de esos dispositivos ayuda a determinar qué tan bien se unen con los músculos, huesos y otros tejidos.
También puede ayudar con la fabricación aditiva, en la que los productos se fabrican imprimiéndolos en 3D, capa sobre capa, una técnica que está transformando las industrias electrónica, automotriz, aeroespacial y otras. La impresión 3D a menudo utiliza polímeros, y los investigadores buscan constantemente nuevos polímeros con mayor resistencia, flexibilidad, resistencia al calor y otras propiedades.
La nueva técnica de medición también podría utilizarse para optimizar las películas ultrafinas basadas en polímeros que se utilizan en la fabricación de semiconductores. A medida que los componentes dentro de los chips de computadora se vuelven cada vez más pequeños, como predice la ley de Moore, las orientaciones moleculares en esas películas se vuelven cada vez más importantes.
