Al igual que un viaje de 1, 000 millas comienza con un solo paso, las deformaciones y fracturas que causan fallas catastróficas en los materiales comienzan con unas pocas moléculas arrancadas de su lugar. Esto, a su vez, conduce a una cascada de daños a escalas cada vez mayores, culminando en una avería mecánica total. Ese proceso es de interés urgente para los investigadores que estudian cómo construir materiales compuestos de alta resistencia para componentes críticos que van desde alas de avión y palas de turbinas eólicas hasta articulaciones de rodilla artificiales.

Ahora, los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han ideado una forma de observar los efectos de la tensión en el nivel de una sola molécula midiendo cómo una fuerza aplicada cambia la alineación tridimensional de las moléculas en el material.

La técnica utiliza una sola molécula, microscopía óptica de superresolución, que puede resolver objetos en el rango de 20 nanómetros (mil millonésimas de metro), aproximadamente una décima parte del tamaño de lo que se puede ver con el enfoque más nítido con un microscopio óptico convencional. El nuevo método examina un polímero dopado con moléculas fluorescentes que emiten luz de una longitud de onda cuando se iluminan con luz de otra longitud de onda. Una imagen de la luz emitida revela no solo la ubicación de una molécula, sino también su orientación horizontal y vertical.

El microscopio de superresolución, desarrollo del cual ganó el Premio Nobel de Química 2014, se ha utilizado ampliamente para aplicaciones biomédicas. "Pero empezamos a preguntarnos qué podría hacer con él en el área de materiales, ", dijo el científico del NIST J. Alexander Liddle." Es decir, ¿Cómo podemos ver lo que está sucediendo a nivel molecular en las etapas más tempranas de deformación o daño? Si esos mecanismos pueden entenderse, los investigadores pueden diseñar mejores materiales compuestos que puedan inhibir las fallas ".

Los materiales compuestos se utilizan en toda la industria para aumentar la resistencia y reducir el peso. Por ejemplo, la mitad del material en peso en un fuselaje Boeing 787 es plástico reforzado con fibra de carbono y otros compuestos.

Para muchos de estos materiales, Es difícil ver el inicio temprano del daño porque no hay marcadores visibles para rastrear sus efectos. Para proporcionar esos marcadores en su experimento, los investigadores utilizaron una película muy fina de un polímero encontrado en Lucite y Plexiglas que había sido dopado con miles de moléculas fluorescentes. Inicialmente, el polímero no estaba estresado, y las moléculas fluorescentes incrustadas tenían orientaciones completamente aleatorias en tres dimensiones. Luego, los científicos aplicaron fuerza al polímero, deformándolo en una dirección específica controlada. A medida que se tensaba el polímero, las moléculas fluorescentes incrustadas se llevaron junto con la deformación, perdiendo su orientación aleatoria y alineándose con el camino del daño. Ese camino se hizo visible al observar el patrón de luz emitida por las moléculas fluorescentes incrustadas, que actuaba como una serie de pequeñas linternas señalando el camino.

Antes del experimento, los científicos utilizaron un modelo matemático que predijo cómo se vería la luz cuando la emitieran moléculas en diferentes alineaciones tridimensionales. Cuando iluminaron las moléculas fluorescentes e hicieron imágenes de la luz emitida, los resultados coincidieron con el modelo. Después de aproximadamente 10, 000 ciclos de iluminación, emergió un patrón revelador que mostraba el grado de deformación.

"Es como una pintura puntillista, donde los puntos individuales se acumulan para formar una forma, "Dijo Liddle.

Además de la clara relevancia de la técnica para el diseño de materiales compuestos esenciales, también puede haber aplicaciones en medicina.

"Supongamos que tiene un nuevo bioimplante, por ejemplo, un reemplazo de rodilla, "dijo Mitchell Wang, ahora en la Universidad Northwestern, que trabajó en el experimento mientras estaba en NIST. "Para hacerlo biocompatible, probablemente estará hecho de polímeros blandos, pero también desea que el dispositivo tenga excelentes propiedades mecánicas. Quiere que funcione con facilidad y al mismo tiempo sea rígido y resistente. Esta técnica podría ayudar a informar el diseño para que los materiales utilizados tengan una excelente resistencia mecánica ".

Hay muchas vías para futuras investigaciones. "Esta técnica fue un estudio post-mortem, en el que pudimos ver el daño en un material después de que ya sucedió, "Dijo Wang." El siguiente paso podría ser aprender a realizar este trabajo en tiempo real, para observar no solo dónde está ocurriendo el daño, pero cuando."

El equipo de Liddle también está desarrollando una técnica de imagen mejorada. Implica hacer dos conjuntos de imágenes simultáneos, uno a cada lado del polímero dopado. En un lado, la formación de imágenes se produce mediante el método descrito anteriormente. En el otro, una lente separada recoge la luz fluorescente del material y la divide en cuatro polarizaciones diferentes en canales individuales. Debido a que la polarización de la luz emitida se ve afectada por la orientación de las moléculas fluorescentes, "si mide las proporciones de la intensidad en cada canal, puedes averiguar en qué dirección apunta la molécula, "Eso nos daría una medida independiente de orientación", dijo Liddle.

Además, los científicos esperan mejorar la resolución en un factor de aproximadamente cinco, lo que les permitirá obtener imágenes de áreas tan pequeñas como unos pocos nanómetros. Esto podría lograrse aumentando el brillo de las moléculas fluorescentes, quizás reduciendo su exposición al oxígeno, que apaga la fluorescencia.

Mientras tanto, Liddle dijo:"Todavía me sorprende que pueda mirar este pequeño punto brillante en un microscopio y saber dentro de cinco o diez nanómetros dónde está y también saber, en unos pocos grados, en qué dirección apunta ".