Assim como uma jornada de 1, 000 milhas começa com uma única etapa, as deformações e fraturas que causam falhas catastróficas nos materiais começam com algumas moléculas arrancadas do lugar. Isso, por sua vez, leva a uma cascata de danos em escalas cada vez maiores, culminando em colapso mecânico total. Esse processo é de interesse urgente para pesquisadores que estudam como construir materiais compostos de alta resistência para componentes críticos que vão desde asas de aviões e pás de turbinas eólicas até articulações artificiais do joelho.

Agora, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas desenvolveram uma maneira de observar os efeitos da tensão no nível de uma única molécula, medindo como uma força aplicada altera o alinhamento tridimensional das moléculas no material.

A técnica usa uma única molécula, microscopia óptica de super-resolução, que pode resolver objetos na faixa de 20 nanômetros (bilionésimos de um metro) - cerca de um décimo do tamanho do que pode ser visto no foco mais nítido com um microscópio óptico convencional. O novo método examina um polímero dopado com moléculas fluorescentes que emitem luz de um comprimento de onda quando são iluminadas com luz de outro comprimento de onda. Uma imagem da luz emitida revela não apenas a localização de uma molécula, mas também sua orientação horizontal e vertical.

O microscópio de super-resolução, desenvolvimento do qual ganhou o Prêmio Nobel de Química de 2014, tem sido amplamente empregado para aplicações biomédicas. "Mas começamos a nos perguntar o que você poderia fazer com isso na área de materiais, "disse o cientista do NIST J. Alexander Liddle." Isto é, como podemos ver o que está acontecendo no nível molecular nos primeiros estágios de deformação ou dano? Se esses mecanismos podem ser compreendidos, os pesquisadores podem ser capazes de projetar melhores materiais compostos que podem inibir o fracasso. "

Os materiais compostos são usados ​​em toda a indústria para aumentar a resistência e diminuir o peso. Por exemplo, metade do material em peso em uma fuselagem do Boeing 787 é plástico reforçado com fibra de carbono e outros compostos.

Para muitos desses materiais, é difícil ver o início precoce do dano porque não há marcadores visíveis para rastrear seus efeitos. Para fornecer esses marcadores em seu experimento, os pesquisadores usaram uma película muito fina de um polímero encontrado em Lucite e Plexiglas que havia sido dopado com milhares de moléculas fluorescentes. Inicialmente, o polímero não estava estressado, e as moléculas fluorescentes embutidas estavam em orientações completamente aleatórias em três dimensões. Em seguida, os cientistas aplicaram força ao polímero, deformando-o em uma direção específica controlada. À medida que o polímero foi deformado, as moléculas fluorescentes incorporadas foram transportadas junto com a deformação, perdendo sua orientação aleatória e alinhando-se com o caminho do dano. Esse caminho tornou-se visível ao observar o padrão de luz emitida pelas moléculas fluorescentes incorporadas, que agia como uma série de pequenas lanternas apontando o caminho.

Antes do experimento, os cientistas usaram um modelo matemático que previu como a luz ficaria quando emitida por moléculas em diferentes alinhamentos 3-D. Quando eles iluminaram as moléculas fluorescentes e criaram imagens da luz emitida, os resultados corresponderam ao modelo. Depois de cerca de 10, 000 ciclos de iluminação, um padrão revelador emergiu mostrando a extensão da deformação.

"É como uma pintura pontilhista, onde pontos individuais se acumulam para formar uma forma, "Liddle disse.

Além da relevância clara da técnica para o projeto de materiais compostos essenciais, também pode haver aplicações na medicina.

"Digamos que você tenha um novo bioimplante - por exemplo, uma prótese de joelho, "disse Mitchell Wang, agora na Northwestern University, que trabalhou no experimento enquanto estava no NIST. "Para torná-lo biocompatível, provavelmente será feito de polímeros macios, mas você também deseja que o dispositivo tenha excelentes propriedades mecânicas. Você deseja que ele opere facilmente ao mesmo tempo que seja rígido e resistente. Esta técnica pode ajudar a informar o design para que os materiais usados ​​tenham excelente resistência mecânica. "

Existem muitos caminhos para pesquisas futuras. "Esta técnica foi um estudo post-mortem, em que pudemos ver o dano em um material depois que ele já aconteceu, "Disse Wang." O próximo passo pode ser aprender a realizar este trabalho em tempo real, para observar não apenas onde o dano está acontecendo, mas quando."

A equipe de Liddle também está desenvolvendo uma técnica de imagem aprimorada. Envolve fazer dois conjuntos de imagens simultâneos - um de cada lado do polímero dopado. De um lado, a imagem é produzida pelo método descrito acima. No outro, uma lente separada reúne a luz fluorescente do material e a divide em quatro polarizações diferentes em canais individuais. Como a polarização da luz emitida é afetada pela orientação das moléculas fluorescentes, "se você medir as proporções da intensidade em cada canal, você pode descobrir para qual direção a molécula está apontando, "Liddle disse." Isso nos daria uma medida independente de orientação. "

Além disso, os cientistas esperam melhorar a resolução por um fator de cerca de cinco - permitindo-lhes criar imagens de áreas tão pequenas quanto alguns nanômetros. Isso poderia ser feito aumentando o brilho das moléculas fluorescentes, talvez reduzindo sua exposição ao oxigênio, que desliga a fluorescência.

Enquanto isso, Liddle disse, "Ainda me surpreende que eu possa olhar para este pequeno ponto brilhante em um microscópio e saber dentro de cinco ou dez nanômetros onde ele está e também saber, dentro de alguns graus, em que direção está apontando. "