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Em alguns materiais, as moléculas se alinham em um padrão regular e repetitivo. Em outros, todos apontam para direções aleatórias. Mas em muitos materiais avançados usados na medicina, fabricação de chips de computador e outras indústrias, as moléculas se organizam em padrões complexos que ditam as propriedades do material.
Os cientistas não tiveram boas maneiras de medir a orientação molecular em três dimensões em escala microscópica, deixando-os no escuro sobre por que alguns materiais se comportam da maneira que o fazem. Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) mediram a orientação 3D dos blocos de construção moleculares dos plásticos, chamados polímeros, observando detalhes tão pequenos quanto 400 nanômetros, ou bilionésimos de metro, de tamanho.
As medições, descritas no Jornal da Sociedade Química Americana, mostram cadeias poliméricas torcendo e ondulando de maneiras complexas e inesperadas. As novas medições foram feitas usando uma versão aprimorada de uma técnica chamada espalhamento anti-Stokes Raman coerente de banda larga, ou BCARS.
O BCARS funciona lançando feixes de laser em um material, fazendo com que suas moléculas vibrem e emitam sua própria luz em resposta. Essa técnica, desenvolvida há cerca de uma década no NIST, é usada para identificar do que um material é feito. Para medir a orientação molecular, o químico de pesquisa do NIST, Young Jong Lee, adicionou um sistema para controlar a polarização da luz laser e novos métodos matemáticos para interpretar o sinal BCARS.
Especificamente, a nova técnica mede a orientação média das cadeias poliméricas em regiões de 400 nanômetros, juntamente com a distribuição de orientações em torno dessa média. Essas medições permitirão aos cientistas identificar padrões de orientação molecular que produzem as propriedades mecânicas, ópticas e elétricas que procuram.
“Entender essa relação estrutura/função pode realmente acelerar o processo de descoberta”, disse Lee.
Isso ajudará os pesquisadores a otimizar os materiais usados em dispositivos médicos, como stents arteriais e joelhos artificiais. A orientação das moléculas na superfície desses dispositivos ajuda a determinar o quão bem eles se ligam aos músculos, ossos e outros tecidos.
Também pode ajudar na manufatura aditiva, na qual os produtos são fabricados por impressão 3D, camada sobre camada – uma técnica que está transformando as indústrias eletrônica, automotiva, aeroespacial e outras. A impressão 3D geralmente usa polímeros, e os pesquisadores estão constantemente buscando novos com melhor resistência, flexibilidade, resistência ao calor e outras propriedades.
A nova técnica de medição também pode ser usada para otimizar os filmes ultrafinos à base de polímero usados na fabricação de semicondutores. À medida que os componentes dentro dos chips de computador ficam cada vez menores – como prevê a lei de Moore – as orientações moleculares nesses filmes tornam-se cada vez mais importantes.
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