Por William Guin, Asesor Experto División de Metrología

En algunos materiales las moléculas se alinean siguiendo un patrón regular y repetitivo, en otros, todos apuntan en direcciones aleatorias. Pero en muchos materiales avanzados utilizados en medicina y en la fabricación de chips de computadora y otras industrias, las moléculas se organizan en patrones complejos que dictan las propiedades del material.

Los científicos no han tenido buenos métodos para medir la orientación molecular en tres dimensiones a escala microscópica, lo que los deja en la oscuridad sobre el por qué algunos materiales se comportan y como lo hacen. Ahora, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) que es el Instituto Nacional de Metrología de los EE.UU. han medido la orientación 3D de los componentes moleculares de los plásticos, llamados polímeros, observando detalles tan pequeños como 400 nanómetros, o milmillonésimas parte de un metro, de tamaño.

Las mediciones, descritas en la revista Journal of the American Chemical Society, muestran cadenas de polímeros retorciéndose y ondulando de maneras complejas e inesperadas. Las nuevas mediciones se realizaron utilizando una versión mejorada de una técnica llamada Dispersión Anti-Stokes Raman Coherente de Banda Ancha, conocido por sus siglas en inglés como BCARS.

La técnica BCARS funciona lanzando rayos láser a un material, lo que hace que sus moléculas vibren y emitan su propia luz en respuesta. Esta técnica, desarrollada hace aproximadamente una década en el NIST, se utiliza para identificar de qué está hecho un material. Para medir la orientación molecular, el químico investigador del NIST, el Dr. Young Jong Lee, desarrolló un sistema para controlar la polarización de la luz láser y nuevos métodos matemáticos para interpretar la señal BCARS.

Específicamente, la nueva técnica mide la orientación promedio de las cadenas de polímeros dentro de regiones de 400 nanómetros, junto con la distribución de orientaciones alrededor de ese promedio. Estas mediciones permitirán a los científicos identificar patrones de orientación molecular que producen las propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas que son de su interés.

Comprender esa relación estructura y función realmente puede acelerar el proceso de descubrimiento, esto ayudará a los investigadores a optimizar los materiales utilizados en dispositivos médicos como stents arteriales y rodillas artificiales. La orientación de las moléculas en la superficie de esos dispositivos ayuda a determinar qué tan bien se unen a los músculos, huesos y otros tejidos.

También puede ayudar con la fabricación aditiva, en la que los productos se fabrican imprimiéndolos en 3D, capa tras capa, una técnica que está transformando las industrias electrónica, automotriz, aeroespacial y otras. La impresión 3D suele utilizar polímeros y los investigadores buscan constantemente otros nuevos con mayor resistencia, flexibilidad, resistencia al calor y otras propiedades.

La nueva técnica de medición también podría utilizarse para optimizar las películas ultrafinas basadas en polímeros utilizadas en la fabricación de semiconductores. A medida que los componentes dentro de los chips de computadora se hacen cada vez más pequeños, como predice la ley de Moore, las orientaciones moleculares en esas películas se vuelven cada vez más importantes.