某些材料中的分子以規(guī)則的重復(fù)模式排列，而其他一些材料中的分子卻都指向隨機(jī)方向。但在醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)芯片制造和其他工業(yè)中使用的許多先進(jìn)材料中，分子排列的復(fù)雜模式可以決定材料性質(zhì)。
為了推進(jìn)材料科學(xué)，NIST研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的方法來(lái)測(cè)量聚合物材料中分子的三維取向。在這幅圖中，針狀形式表示聚合物鏈，顏色表示偏離垂直平面的平均角度，針頭的大小表示該平均值周?chē)娜∠蚍植?。背景圖像顯示了原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過(guò)寬帶相干反斯托克斯拉曼散射（BCARS）方法得到的。來(lái)源：Y.J.Lee/NIST
科學(xué)家們還沒(méi)有找到比較好的辦法在微觀尺度上測(cè)量三維分子取向，因此對(duì)某些材料性質(zhì)的形成原因一無(wú)所知?，F(xiàn)在，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員已經(jīng)對(duì)塑料分子結(jié)構(gòu)塊（稱(chēng)為聚合物）的三維方向進(jìn)行了測(cè)量，觀察到了小至400納米的細(xì)節(jié)。
《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》（Journal of the American Chemical Society）上的一篇文章介紹了相關(guān)測(cè)量結(jié)果，其顯示聚合物鏈以復(fù)雜而意想不到的方式扭曲和起伏。這些新的測(cè)量利用的是一種增強(qiáng)版的寬帶相干反斯托克斯拉曼散射（BCARS）技術(shù)。
BCARS的工作原理是通過(guò)將激光束照射到材料上，使材料分子振動(dòng)并發(fā)出自己的光。這項(xiàng)技術(shù)是由NIST在大約十年前開(kāi)發(fā)，用于識(shí)別材料的成分。為了測(cè)量分子取向，NIST研究化學(xué)家Young Jong Lee增加了一個(gè)控制激光偏振的系統(tǒng)和解釋BCARS信號(hào)的新數(shù)學(xué)方法。
具體而言，這項(xiàng)新技術(shù)測(cè)量了400納米范圍內(nèi)聚合物鏈的平均取向度及周?chē)娜∠蚍植肌＿@些測(cè)量將幫助科學(xué)家確定哪些分子取向模式能夠產(chǎn)生他們所尋求的機(jī)械、光學(xué)和電學(xué)特性。
Lee說(shuō)：“理解這種結(jié)構(gòu)/功能關(guān)系可以真正加快發(fā)現(xiàn)過(guò)程。”
這將有助于研究人員優(yōu)化用于動(dòng)脈支架和人工膝蓋等醫(yī)療器械的材料。這些裝置表面分子的取向有助于確定它們與肌肉、骨骼和其他組織的結(jié)合程度。
這項(xiàng)研究也有助于利用逐層3D打印來(lái)制造產(chǎn)品的增材制造技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)正在改變電子、汽車(chē)、航空航天和其他行業(yè)。3D打印通常使用的是聚合物，研究人員不斷尋找具有更好強(qiáng)度、柔韌性、耐熱性和其他性能的新聚合物。
新的測(cè)量技術(shù)也可以用于優(yōu)化半導(dǎo)體制造中使用的聚合物基超薄薄膜?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)芯片中的組件越來(lái)越小（根據(jù)摩爾定律預(yù)測(cè)，它們會(huì)越來(lái)越?。?，這些薄膜中的分子取向也變得越來(lái)越重要。
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