Pour étudier la défaillance des matériaux au niveau moléculaire, les chercheurs ont comparé des images calculées de molécules individuelles dans différentes orientations (à gauche) avec des images expérimentales (à droite) pour déterminer l'alignement 3D des molécules fluorescentes dans un échantillon. 1 m est un micromètre, environ 1/100e de la largeur d'un cheveu humain. Crédit :NIST
Tout comme un voyage de 1, 000 milles commencent par un seul pas, les déformations et les fractures qui provoquent une défaillance catastrophique des matériaux commencent par quelques molécules arrachées. Cela conduit à son tour à une cascade de dommages à des échelles de plus en plus grandes, aboutissant à une panne mécanique totale. Ce processus présente un intérêt urgent pour les chercheurs qui étudient comment fabriquer des matériaux composites à haute résistance pour des composants critiques allant des ailes d'avion et des pales d'éoliennes aux articulations artificielles du genou.
Des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont mis au point un moyen d'observer les effets de la contrainte au niveau d'une seule molécule en mesurant comment une force appliquée modifie l'alignement tridimensionnel des molécules dans le matériau.
La technique utilise une molécule unique, microscopie optique super-résolution, qui peut résoudre des objets de l'ordre de 20 nanomètres (milliards de mètre), soit environ un dixième de la taille de ce qui peut être vu à la mise au point la plus nette avec un microscope optique conventionnel. La nouvelle méthode examine un polymère dopé avec des molécules fluorescentes qui émettent de la lumière d'une longueur d'onde lorsqu'elles sont éclairées par une lumière d'une autre longueur d'onde. Une image de la lumière émise révèle non seulement l'emplacement d'une molécule, mais aussi son orientation horizontalement et verticalement.
Le microscope super-résolution, dont le développement a remporté le prix Nobel de chimie 2014, a été largement utilisé pour des applications biomédicales. "Mais nous avons commencé à nous demander ce que vous pourriez en faire dans le domaine des matériaux, " a déclaré J. Alexander Liddle, scientifique du NIST. comment pouvons-nous voir ce qui se passe au niveau moléculaire aux tout premiers stades de déformation ou d'endommagement ? Si ces mécanismes peuvent être compris, les chercheurs pourraient être en mesure de concevoir de meilleurs matériaux composites pouvant inhiber les défaillances. »
Les matériaux composites sont utilisés dans toute l'industrie pour augmenter la résistance et réduire le poids. Par exemple, la moitié du matériau en poids dans une cellule de Boeing 787 est du plastique renforcé de fibres de carbone et d'autres composites.
Pour beaucoup de ces matériaux, il est difficile de voir l'apparition précoce des dégâts car il n'y a pas de marqueurs visibles pour suivre ses effets. Pour fournir ces marqueurs dans leur expérience, les chercheurs ont utilisé un film très mince d'un polymère trouvé dans la lucite et le plexiglas qui avait été dopé avec des milliers de molécules fluorescentes. Initialement, le polymère n'était pas stressé, et les molécules fluorescentes incorporées étaient dans des orientations complètement aléatoires en trois dimensions. Ensuite, les scientifiques ont appliqué une force au polymère, le déformer dans une direction spécifique contrôlée. Comme le polymère a été tendu, les molécules fluorescentes incrustées ont été emportées avec la déformation, perdre leur orientation aléatoire et s'aligner sur la trajectoire des dommages. Ce chemin a été rendu visible en observant le motif de la lumière émise par les molécules fluorescentes intégrées, qui agissait comme une série de petites lampes de poche indiquant le chemin.
Avant l'expérimentation, les scientifiques ont utilisé un modèle mathématique qui a prédit à quoi ressemblerait la lumière lorsqu'elle serait émise par des molécules dans différents alignements 3D. Quand ils ont illuminé les molécules fluorescentes et fait des images de la lumière émise, les résultats correspondent au modèle. Après environ 10, 000 cycles d'éclairage, un motif révélateur a émergé montrant l'étendue de la déformation.
Dans cette image, 200 nanomètres (nm, milliardièmes de mètre) image carrée, la taille et la direction des flèches montrent l'alignement local moyen des molécules fluorescentes individuelles en raison de la contrainte produite par un poinçon carré (la taille de la ligne pointillée grise) enfoncé dans le matériau, puis tiré à un angle vers le haut de l'image. Crédit :NIST
"C'est un peu comme une peinture pointilliste, où des points individuels s'accumulent pour former une forme, " dit Liddle.
En plus de la pertinence évidente de la technique pour la conception de matériaux composites essentiels, il pourrait aussi y avoir des applications en médecine.
« Disons que vous avez un nouveau bioimplant, par exemple, une arthroplastie du genou, " a déclaré Mitchell Wang, maintenant à l'Université Northwestern, qui a travaillé sur l'expérience au NIST. "Pour le rendre biocompatible, il sera probablement fait de polymères mous, mais vous voulez aussi que l'appareil ait d'excellentes propriétés mécaniques. Vous voulez qu'il fonctionne facilement tout en étant rigide et résistant. Cette technique pourrait aider à éclairer la conception afin que les matériaux utilisés aient une excellente résistance mécanique. »
Les pistes de recherches futures sont nombreuses. "Cette technique était une étude post-mortem, en ce que nous pouvions voir les dommages dans un matériau après qu'ils se soient déjà produits, " a déclaré Wang. " La prochaine étape pourrait être d'apprendre à effectuer ce travail en temps réel, pour surveiller non seulement où les dommages se produisent, mais quand."
L'équipe de Liddle développe également une technique d'imagerie améliorée. Il s'agit de réaliser deux ensembles d'images simultanés, un de chaque côté du polymère dopé. D'un côté, l'imagerie est réalisée par le procédé décrit ci-dessus. De l'autre, une lentille séparée recueille la lumière fluorescente du matériau et la divise en quatre polarisations différentes dans des canaux individuels. Parce que la polarisation de la lumière émise est affectée par l'orientation des molécules fluorescentes, "si vous mesurez les rapports de l'intensité dans chaque canal, vous pouvez déterminer dans quelle direction pointe la molécule, " Liddle dit. "Cela nous donnerait une mesure indépendante de l'orientation."
En outre, les scientifiques espèrent améliorer la résolution d'un facteur d'environ cinq, ce qui leur permettra d'imager des zones aussi petites que quelques nanomètres. Cela pourrait être accompli en augmentant la luminosité des molécules fluorescentes, peut-être en réduisant leur exposition à l'oxygène, qui coupe la fluorescence.
Pendant ce temps, Liddle a dit, "Cela m'étonne toujours que je puisse regarder ce petit point lumineux au microscope et savoir à cinq ou dix nanomètres où il se trouve et savoir aussi, à quelques degrés près, dans quelle direction il pointe."
