Las moléculas tienen una orientación, y los científicos tienen una nueva forma de medirla
La orientación molecular, clave para diseñar mejores materiales
En algunos materiales, las moléculas se alinean siguiendo un patrón regular y repetitivo. En otros, todas apuntan en direcciones aleatorias. Pero en muchos materiales avanzados utilizados en medicina, fabricación de chips informáticos y otras industrias, las moléculas se organizan en patrones complejos que dictan las propiedades del material.
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Para avanzar en la ciencia de los materiales, los investigadores del NIST han desarrollado una nueva forma de medir la orientación tridimensional de las moléculas dentro de un material formado por componentes llamados polímeros. En esta ilustración, las formas parecidas a alfileres representan cadenas de polímeros, con el color indicando el ángulo medio respecto al plano vertical y el tamaño de la cabeza del alfiler representando la distribución de orientaciones alrededor de ese promedio. La imagen del fondo muestra los datos en bruto, obtenidos por un método conocido como dispersión Raman anti-Stokes coherente de banda ancha, o BCARS.
Y.J. Lee/NIST
Hasta ahora, los científicos no disponían de métodos adecuados para medir la orientación molecular en tres dimensiones a escala microscópica, lo que les impedía saber por qué algunos materiales se comportan como lo hacen. Ahora, investigadores del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) han medido la orientación tridimensional de los componentes moleculares de los plásticos, llamados polímeros, observando detalles de tan sólo 400 nanómetros, o milmillonésimas partes de un metro.
Las mediciones, descritas en la revista Journal of the American Chemical Society, muestran cadenas de polímeros que se retuercen y ondulan 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.
Esta técnica consiste en proyectar rayos láser sobre un material, haciendo 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 ha añadido un sistema para controlar la polarización de la luz láser y nuevos métodos matemáticos para interpretar la señal BCARS.
En concreto, la nueva técnica mide la orientación media de las cadenas poliméricas dentro de regiones de 400 nanómetros, junto con la distribución de orientaciones en torno a esa media. Estas mediciones permitirán a los científicos identificar los patrones de orientación molecular que producen las propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas que buscan.
"Entender esa relación estructura/función puede acelerar mucho el proceso de descubrimiento", afirma Lee.
Esto ayudará a los investigadores a optimizar los materiales utilizados en dispositivos médicos como endoprótesis arteriales y rodillas artificiales. La orientación de las moléculas en la superficie de esos dispositivos ayuda a determinar la calidad de su unión con el músculo, el hueso y otros tejidos.
También puede ayudar en la fabricación aditiva, en la que los productos se fabrican imprimiéndolos en 3D, capa sobre capa, una técnica que está transformando los sectores de la electrónica, la automoción, el aeroespacial y otros. La impresión 3D suele utilizar polímeros, y los investigadores buscan constantemente otros nuevos 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 emplean en la fabricación de semiconductores. A medida que los componentes de los chips informáticos se hacen más y más pequeños -como predice la ley de Moore-, las orientaciones moleculares de esas películas cobran cada vez más importancia.
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