Aktualności

Nanoszczelina – wielki problem?

Badacze z National Institute of Standard and Technology (NIST) we współpracy z NanoCenter na uniwersytecie w Maryland stworzyli nową technikę obrazowania, dzięki której możliwe będzie zidentyfikowanie uszkodzeń mechanicznych materiału na poziomie atomowym, a więc w nanoskali. Jest to istotny aspekt z punktu widzenia zastosowań materiałów kompozytowych. W tym celu, naukowcy porównali obrazy obliczeniowe pojedynczej cząsteczki w różnych orientacjach z obrazami eksperymentalnymi w celu określenia ułożenia fluoroscencyjnych cząsteczek w próbce badanego materiału przed uszkodzeniem oraz po.
 

Trochę teorii

Już nawet nanopęknięcie – czyli jakikolwiek defekt struktury krystalicznej – prowadzi do kaskady mikrouszkodzeń, tworząc uszkodzenie w skali widzialnej przez ludzkie oko. Z czasem powoduje to całkowity rozpad ze stopniową utratą pierwotnych właściwości materiału. I to właśnie ten problem stał się punktem wyjścia do badań wspomnianych naukowców. Ze względu na powszechne zastosowanie nanokompozytów w ważnych dziedzinach przemysłu, to właśnie te materiały postanowili badać. Materiały kompozytowe stosuje się do zwiększenia wytrzymałości z jednoczesnym obniżeniem masy. Dla przykładu, połowa materiałów użytych w szkielecie Boeinga 787 składa się z tworzywa polimerowego wzmocnionego włóknami węglowymi.

Naukowcy użyli matematycznego modelu, który przewidział, jak światło będzie wyglądało, kiedy zostanie wyemitowane przez cząsteczki w różnych ułożeniach w 3D.  Kiedy oświetlili cząsteczki fluorescencyjne i zrobili zdjęcia emitowanego światła, wyniki pokrywały się z modelem matematycznym. Po około 10 000 cykli iluminacji, wskaźnik pojawił się, pokazując rozmiar deformacji. Dzięki temu skonstruowali oni sposób w jaki można obserwować efekt naprężenia, będącego źródłem uszkodzenia,  na poziomie pojedynczych cząsteczek. Dokonali tego poprzez pomiar, w jaki sposób siły zmieniają się w ułożeniu trójwymiarowym cząsteczki w danym materiale.

Jak to działa?

Technika ta wykorzystuje super-rozdzielczą mikroskopię optyczną, która dostrzega obiekty o rozmiarach około 20 nm. W ten sposób, możemy zobaczyć co dzieje się w skali atomowej w najwcześniejszych stadiach deformacji materiału. Jeżeli te mechanizmy zostaną zrozumiane od skali atomowej, badacze uzyskają możliwość projektowania lepszych materiałów kompozytowych, które mogą zapobiec zniszczeniom. Nowa metoda wykorzystuje polimer domieszkowany cząsteczkami fluorescencyjnymi, które emitują światło o jednej długości fali. Jednocześnie taki domieszkowany polimer oświetlany jest światłem innej długości. Obraz emitowanego światła, określa nie tylko położenie cząsteczki, ale również jej orientację poziomą i pionową.

Podstawową trudnością w postawionym przez badaczy problemie stanowiło dostrzeżenie wczesnego stadium rozwoju uszkodzenia. Wynika to z tego, że materiał ten nie ma widzialnych znaczników umożliwiających jego śledzenie. W celu zapewnienia takich znaczników, w swoim eksperymencie, badacze użyli cienkich filmów polimerów, domieszkowanych tysiącami fluorescencyjnych cząsteczek. Początkowo, polimer nie był naprężany, a osadzone cząsteczki fluorescencyjne były zorientowane przypadkowo w każdym z wymiarów. Naukowcy przyłożyli siłę do polimeru, odkształcając go. W miarę naprężania polimeru, osadzone cząsteczki unosiły się z kierunkiem odkształcenia. Ta ścieżka stała się widoczna poprzez obserwację schematu emitowanego światła, od osadzonych cząsteczek fluorescencyjnych. W wyniku takiego działania zachowały się jak seria światełek oświetlająca ścieżkę.

Plany na przyszłość

Następnym krokiem może być przeprowadzanie tego procesu w czasie rzeczywistym, aby obserwować gdzie doszło do uszkodzenia, ale także – kiedy do tego uszkodzenia doszło. Zespół rozwija również polepszoną technikę obrazowania. Składa się ona z dwóch jednoczesnych zestawów obrazów – jeden na każdej stronie domieszkowanego polimeru. Na jednej stronie, obrazowanie zostałoby poprowadzone przez metodę opisaną powyżej. Na drugiej, oddzielne obiektywy zbierałyby światło fluorescencyjne z materiału, dzieląc je na cztery różne polaryzacje w indywidualnych kanałach. Ponieważ polaryzacja emitowanego światła jest zależna od orientacji cząsteczek fluorescencyjnych, zmierzenie stosunku intensywności każdego z kanałów, umożliwiłoby dojście do tego, który z kierunków wskazuje cząsteczka. To dałoby niezależny pomiar orientacji i określenie położenia nanoszczeliny. Dodatkowo, naukowcy mają nadzieję na polepszenie rozdzielczości o około pięć razy. Pozwoli im to na obrazowanie obszarów tak małych jak kilka nanometrów. Osiągną to prawdopodobnie poprzez zwiększenie jasności cząsteczek fluorescencyjnych lub poprzez redukcję ich ekspozycji na tlen, który odcina fluorescencję.

Redaktor: Jagoda M. Wierzbicka

Podobne artykuły

Urządzenie firmy Raith – CHIPSCANNER (https://www.raith.com/products/chipscanner.html) znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach. Od lat jest wykorzystywane w przemyśle półprzewodnikowym czy w agencjach służb wywiadowczych. Urządzenie to pierwotnie zostało stworzone z myślą o odzyskiwaniu projektów układów scalonych przez profesjonalistów (...
Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology opracowali nanocząstki, które pozwalają na jednoczesne przeprowadzanie dwóch obrazowań u zwierząt: fluorescencyjnego i metodą rezonansu magnetycznego. Cząstki te mogą pomóc w śledzeniu specyficznych cząsteczek w organizmie, monitorowaniu środowiska guza lub...