Precis som en resa på 1, 000 miles börjar med ett enda steg, deformationer och sprickor som orsakar katastrofalt fel i material börjar med att några molekyler slits ut på plats. Detta leder i sin tur till en kaskad av skador på allt större skalor, kulminerar i total mekanisk haveri. Den processen är av brådskande intresse för forskare som studerar hur man bygger höghållfasta kompositmaterial för kritiska komponenter, allt från flygplansvingar och vindturbinblad till konstgjorda knäleder.

Nu har forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor tagit fram ett sätt att observera effekterna av belastning på enmolekylnivå genom att mäta hur en applicerad kraft förändrar den tredimensionella inriktningen av molekyler i materialet.

Tekniken använder enkelmolekyl, superupplöst optisk mikroskopi, som kan lösa objekt i intervallet 20 nanometer (miljardelar av en meter)-ungefär en tiondel av storleken på vad som kan ses i skarpaste fokus med ett konventionellt optiskt mikroskop. Den nya metoden undersöker en polymer dopad med fluorescerande molekyler som avger ljus med en våglängd när de belyses med ljus av en annan våglängd. En bild av det utsända ljuset avslöjar inte bara en molekyls placering, men också dess orientering horisontellt och vertikalt.

Superupplösningsmikroskopet, vars utveckling vann Nobelpriset i kemi 2014, har använts i stor utsträckning för biomedicinska tillämpningar. "Men vi började undra vad du kan göra med det inom materialområdet, "sa NIST -forskaren J. Alexander Liddle." Det vill säga, hur kan vi se vad som händer på molekylär nivå vid de allra tidigaste stadierna av deformation eller skada? Om dessa mekanismer går att förstå, forskare kanske kan designa bättre kompositmaterial som kan hämma misslyckanden. "

Kompositmaterial används i hela industrin för att öka styrkan och minska vikten. Till exempel, hälften av materialet i vikt i en Boeing 787 flygram är kolfiberförstärkt plast och andra kompositer.

För många sådana material, Det är svårt att se den tidiga skadan eftersom det inte finns några synliga markörer för att spåra dess effekter. För att tillhandahålla dessa markörer i sitt experiment, forskarna använde en mycket tunn film av en polymer som fanns i Lucite och plexiglas som hade dopats med tusentals fluorescerande molekyler. Initialt, polymeren var ospänd, och de inbäddade fluorescerande molekylerna var i helt slumpmässiga orienteringar i tre dimensioner. Sedan använde forskarna kraft på polymeren, deformera den i en kontrollerad specifik riktning. När polymeren ansträngdes, de inbäddade fluorescerande molekylerna fördes tillsammans med deformationen, förlorar sin slumpmässiga orientering och ställer upp med skadans väg. Den vägen synliggjordes genom att observera mönstret för utsänt ljus från de inbäddade fluorescerande molekylerna, som fungerade som en serie små ficklampor som pekade vägen.

Före experimentet, forskarna använde en matematisk modell som förutspådde hur ljuset skulle se ut när det utsändes av molekyler i olika 3D-uppställningar. När de belyste de fluorescerande molekylerna och gjorde bilder av det utsända ljuset, resultaten matchade modellen. Efter ca 10, 000 cykler av belysning, ett uppenbart mönster framkom som visar omfattningen av deformation.

"Det är ungefär som en pointillistisk målning, där enskilda prickar byggs upp för att bilda en form, "Sa Liddle.

Förutom teknikens tydliga relevans för design av väsentliga kompositmaterial, det kan också finnas tillämpningar inom medicin.

"Låt oss säga att du har ett nytt bioimplantat - till exempel ett knäbyte, "sa Mitchell Wang, nu vid Northwestern University, som arbetade med experimentet på NIST. "För att göra det biokompatibelt, det kommer sannolikt att vara tillverkat av mjuka polymerer, men du vill också att enheten ska ha utmärkta mekaniska egenskaper. Du vill att den ska fungera enkelt samtidigt som den är stel och seg. Denna teknik kan hjälpa till att informera designen så att de använda materialen har utmärkt mekanisk hållfasthet. "

Det finns många vägar för framtida forskning. "Denna teknik var en obduktion, genom att vi kunde se skadan i ett material efter att det redan hänt, "Sa Wang." Nästa steg kan vara att lära sig hur man utför detta arbete i realtid, att titta inte bara på var skadan sker, men när."

Liddles team utvecklar också en förbättrad bildteknik. Det handlar om att göra två bilduppsättningar samtidigt - en på varje sida av den dopade polymeren. På en sida, bildbehandling produceras med den metod som beskrivs ovan. På den andra, en separat lins samlar fluorescerande ljus från materialet och delar upp det i fyra olika polarisationer i enskilda kanaler. Eftersom polariseringen av det utsända ljuset påverkas av fluorescerande molekylers orientering, "om du mäter intensitetsförhållandena i varje kanal, du kan ta reda på vilken riktning molekylen pekar, "Sa Liddle." Det skulle ge oss ett oberoende mått på orientering. "

Dessutom, forskarna hoppas kunna förbättra upplösningen med en faktor på cirka fem - så att de kan avbilda områden så små som några nanometer. Detta kan uppnås genom att öka ljusstyrkan hos de fluorescerande molekylerna, kanske genom att minska deras exponering för syre, som stänger av fluorescens.

Under tiden, Liddle sa, "Det förvånar mig fortfarande att jag kan titta på denna lilla ljuspunkt i ett mikroskop och inom fem eller tio nanometer veta var den är och också veta, inom några grader, åt vilket håll det pekar. "