Yeni görüntüleme teknolojisi, mekanik hasarın moleküler düzeyde nasıl başladığını ortaya koyuyor!
Brocade Park: Bu makale malzeme bilimi içindir
Tıpkı 10.000 millik bir yolculuğun ilk adımı gibi, malzemenin feci bir şekilde bozulmasına yol açan deformasyon ve kırılma, bazı moleküllerin orijinal konumundan çekilmesiyle de başladı. Bu da, giderek daha kapsamlı, kademeli hasara yol açarak sonunda makinenin tamamen bozulmasına yol açtı. Bu süreç, uçak kanatları ve rüzgar türbini kanatlarından yapay diz eklemlerine kadar değişen anahtar bileşenler için yüksek mukavemetli kompozitlerin nasıl yapılacağını araştıran araştırmacılar için çok önemlidir. Şimdi, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki (NIST) bilim adamları ve meslektaşları, uygulanan kuvvetin bir malzemedeki moleküllerin üç boyutlu düzenini nasıl değiştirdiğini ölçerek, tek molekül seviyesinde gerilmenin etkisini gözlemlemek için bir yöntem geliştirdiler.
-Bilimin Popülerleştirilmesi: Bu teknoloji, 20 nanometre (metrenin milyarda biri) içindeki nesneleri ayırt edebilen tek moleküllü süper çözünürlüklü bir optik mikroskop kullanır - geleneksel bir optik mikroskobun en keskin odağı hakkında. Nesnenin onda birine. Bu yeni yöntem, başka bir dalga boyundaki ışıkla aydınlatıldığında bir dalga boyundaki ışığı yayan floresan moleküllerle katkılı bir polimeri tespit eder. Işık yayan görüntü, sadece molekülün konumunu değil, aynı zamanda molekülün yatay ve dikey yönünü de ortaya koymaktadır. 2014 Nobel Kimya Ödülü sahibi süper çözünürlüklü mikroskobu, biyotıp alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. NIST bilim adamı J. Alexander Liddle şunları söyledi: Ama malzeme alanında onunla ne yapabileceğinizi merak etmeye başladık. Başka bir deyişle, deformasyonun veya yıkımın ilk aşamasında, moleküler düzeyde ne olduğunu nasıl görebiliriz?
- Malzemelerin moleküler düzeyde arızasını incelemek için araştırmacılar, numunedeki floresan moleküllerin üç boyutlu düzenini belirlemek için tek molekül hesaplama görüntülerini (sol) ve deneysel görüntüleri (sağda) farklı yönlerde karşılaştırdılar. Resim: NIST
Bu mekanizmalar anlaşılabilirse, araştırmacılar arızayı önlemek için daha iyi kompozit malzemeler tasarlayabilirler. Kompozit malzemeler endüstride gücü artırmak ve ağırlığı azaltmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, bir Boeing 787'nin gövdesindeki ağırlık malzemesinin yarısı, karbon fiber takviyeli plastikler ve diğer kompozit malzemelerdir. Bu tür birçok malzeme için erken hasar görmek zordur çünkü etkilerini izlemek için görünür izler yoktur. Deneyde bu etiketleri sağlamak için, araştırmacılar çok ince bir polimer film kullandılar, bu polimer reçine ve pleksiglas içinde var, binlerce floresan molekülle katkılı. Başlangıçta, polimer gerilimsizdir ve gömülü floresan molekülleri üç boyutlu uzayda tamamen rastgele yönlendirilir. Daha sonra, bilim adamları polimeri belirli, kontrol edilebilir bir yönde deforme etmek için polimere kuvvet uygular.
Polimer gerildiğinde, gömülü flüoresan molekülleri deformasyonla birlikte hareket eder, rastgele yönlerini kaybeder ve hasar yolu ile hizalanır. Bu yol, ileriyi gösteren bir dizi küçük el feneri gibi davranan, içine gömülü floresan moleküllerinin yaydığı ışık modelini gözlemleyerek görünür hale getirilir. Deneyden önce, bilim adamları, moleküllerin farklı üç boyutlu düzenlemelerinden gelen ışığın neye benzeyeceğini tahmin etmek için matematiksel bir model kullandılar. Floresan molekülleri aydınlatırken ve yayılan ışığı görüntülerken, sonuçlar modelle eşleşir. Yaklaşık 10.000 ışık döngüsünden sonra, deformasyon derecesini gösteren bir gösterge modu belirdi. Liddell şunları söyledi: Bu biraz, her noktanın bir şekil oluşturduğu bir nokta uzmanının resmine benziyor. Bu teknolojinin temel kompozit materyallerin tasarımıyla bariz ilgisine ek olarak, tıpta da kullanılabilir.
- Bu görüntüde, 200 nanometrelik (nanometre, bir metrenin milyarda biri) kare bir görüntüde, okların boyutu ve yönü, ayrı ayrı floresan moleküllerinin ortalama yerel düzenlemesini göstermektedir. ) Malzemeyi girin ve gerginliği görüntünün üstüne doğru bir açıyla çekin. Resim: NIST
Yeni bir biyolojik implant olduğunu varsayalım - örneğin bir diz protezi Biyouyumlu hale getirmek için yumuşak polimerlerden yapılmış olması muhtemeldir, ancak cihazın iyi mekanik özelliklere sahip olması da umulmaktadır. Kullanımı kolay ama aynı zamanda çok zor hale getirmek ister. Bu teknoloji tasarıma yardımcı olabilir, böylece kullanılan malzemeler mükemmel mekanik dayanıma sahip olur. Gelecekte araştırma yapmanın birçok yolu vardır: Bu teknoloji sonradan düşünülür, çünkü malzeme hasar gördükten sonra gözlemleyebiliriz. Bir sonraki adım, bu çalışmanın gerçek zamanlı olarak nasıl gerçekleştirileceğini öğrenmek olabilir, sadece hasarın nerede meydana geldiğini değil, aynı zamanda ne zaman meydana geldiğini de gözlemlemek olabilir.Liddle ekibi ayrıca gelişmiş bir görüntüleme tekniği geliştiriyor.
Katkılı polimerin her iki tarafında bir tane olmak üzere aynı anda iki dizi görüntü oluşturmayı içerir. Bir yandan görüntüleme, yukarıda açıklanan yöntemle üretilir. Öte yandan tek bir mercek, materyalden floresansı toplayarak dört farklı polarizasyon kanalına böler.Yayılan ışığın polarizasyonu flüoresan moleküllerinin yönünden etkilendiğinden, her kanalın yoğunluk oranını ölçerseniz öğrenebilirsiniz. Molekülün hangi yöne işaret ettiğini, bu bize bağımsız bir yön ölçüsü verecektir. Ek olarak, bilim adamları çözünürlüğü orijinalin 5 katına çıkarmayı umuyor, böylece birkaç nanometre boyutunda çekim yapabilirsiniz. Bu, flüoresan moleküllerin parlaklığını artırarak, belki de flüoresanı engellemek için oksijene maruz kalmalarını azaltarak elde edilebilir.
Brocade Park-Bilim Popülerleştirme Araştırma / Gönderen: Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü
Referans dergi makaleleri: "Materials Horizons"
DOI: 10.1039 / c8mh01187g
Brocade Park - Evren Biliminin Güzelliğini Sunuyor
Daha fazlası için lütfen aşağıya bakın (daha fazlasını öğrenin)
