Les molécules ont une orientation, et les scientifiques disposent d'un nouveau moyen de la mesurer
L'orientation moléculaire est la clé de la conception de meilleurs matériaux
Dans certains matériaux, les molécules sont alignées selon un schéma régulier et répétitif. Dans d'autres, elles pointent toutes dans des directions aléatoires. Mais dans de nombreux matériaux avancés utilisés en médecine, dans la fabrication de puces informatiques et dans d'autres industries, les molécules s'organisent selon des schémas complexes qui déterminent les propriétés du matériau.
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Pour faire progresser la science des matériaux, des chercheurs du NIST ont mis au point une nouvelle façon de mesurer l'orientation 3D des molécules au sein d'un matériau constitué de composants appelés polymères. Dans cette illustration, les formes en forme d'épingle représentent des chaînes de polymères, la couleur indiquant l'angle moyen par rapport au plan vertical et la taille de la tête d'épingle représentant la distribution des orientations autour de cette moyenne. L'image en arrière-plan montre les données brutes, qui sont produites par une méthode connue sous le nom de diffusion Raman anti-Stokes cohérente à large bande, ou BCARS.
Y.J. Lee/NIST
Les scientifiques ne disposaient pas de bons moyens pour mesurer l'orientation moléculaire en trois dimensions à l'échelle microscopique, ce qui les laissait dans l'ignorance des raisons pour lesquelles certains matériaux se comportent comme ils le font. Aujourd'hui, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mesuré l'orientation tridimensionnelle des éléments constitutifs moléculaires des plastiques, appelés polymères, en observant des détails aussi petits que 400 nanomètres, ou milliardièmes de mètre.
Les mesures, décrites dans le Journal of the American Chemical Society, montrent que les chaînes de polymères se tordent et ondulent de manière complexe et inattendue. Les nouvelles mesures ont été réalisées à l'aide d'une version améliorée d'une technique appelée diffusion Raman anti-Stokes cohérente à large bande, ou BCARS.
La technique BCARS consiste à envoyer des faisceaux laser sur un matériau, ce qui fait vibrer ses molécules qui émettent alors leur propre lumière. 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, Young Jong Lee, chercheur chimiste au NIST, a ajouté un système permettant de contrôler 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 de polymères dans des 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.
"La compréhension de cette relation structure/fonction peut vraiment accélérer le processus de découverte", a déclaré M. 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 permet de déterminer la qualité de leur liaison avec les muscles, les os et les autres tissus.
Elle peut également être utile dans le cadre de la fabrication additive, qui consiste à fabriquer des produits en les imprimant en 3D, couche après couche - une technique qui transforme les secteurs de l'électronique, de l'automobile, de l'aérospatiale et d'autres industries. L'impression 3D utilise souvent des polymères, et les chercheurs sont constamment à la recherche de nouveaux polymères plus solides, plus flexibles, plus résistants à la chaleur et dotés d'autres propriétés.
La nouvelle technique de mesure pourrait également être utilisée pour optimiser les films ultraminces à base de polymères utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs. Les composants des puces informatiques devenant de plus en plus petits - comme le prévoit la loi de Moore - les orientations moléculaires de ces films deviennent de plus en plus importantes.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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