分子配向は、より良い材料を設計するための鍵です。 Molecular orientation is key to designing better materials.
2022-12-08 米国国立標準技術研究所(NIST)
研究者らは、ポリマーと呼ばれるプラスチックの構成要素の分子の3次元配向を測定し、400ナノメートル（1メートルの10億分の1）という微細なサイズまで観察することに成功した。
この測定結果は、ポリマー鎖が複雑かつ予想外の方法でねじれたり、うねったりしていることが分かった。今回の測定は、広帯域コヒーレント反ストークスラマン散乱（BCARS）と呼ばれる技術を発展させたものである。
BCARSは、物質にレーザー光を照射すると、その分子が振動し、それに反応して光を放出する仕組みになっている。10年ほど前にNISTで開発されたこの技術は、物質の材質を特定するために使用される。今回、研究者たちは、子配向を測定するために、レーザー光の偏光を制御するシステムとBCARS信号を解釈する新しい数学的手法を追加した。
具体的には、400ナノメートル領域内のポリマー鎖の平均的な配向と、その周辺の配向の分布を測定する。この測定により、科学者たちは、求める機械的、光学的、電気的特性を生み出す分子配向パターンを特定することができるようになる。
＜関連情報＞
- https://www.nist.gov/news-events/news/2022/12/molecules-have-orientation-and-scientists-have-new-way-measure-it
- https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c10029
偏光制御コヒーレントラマン顕微鏡による高分子鎖の3次元配向画像化 3D Orientation Imaging of Polymer Chains with Polarization-Controlled Coherent Raman Microscopy
Shuyu Xu, Ying Jin, and Young Jong Lee
Journal of the American Chemical Society Published:December 7, 2022
https://doi.org/10.1021/jacs.2c10029
Abstract
Despite the ubiquity of three-dimensional (3D) anisotropic materials, their 3D molecular alignment cannot be measured using conventional two-dimensional (2D) polarization imaging. Here, we present images of the 3D angles of molecular orientations with submicrometer spatial resolution acquired through polarization-controlled coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy. The hyperspectral Raman data of a polyethylene (PE) film were converted into images, showing the polymer chains’ 3D angles and order parameters. The 3D orientation images of PE chains in ring-banded spherulites show that the azimuthal angles of the chains are perpendicular to the crystal growth direction, while the out-of-plane angles display limited-range oscillations synchronous with ring banding. The prevailing crystal growth model of fully twisting lamellae is inconsistent with the observed restricted oscillations of the out-of-plane direction, which are unobservable through conventional 2D projected imaging. This high-resolution, label-free, quantitative imaging of 3D molecular orientation can become a standard measurement tool for the microscopic structures of complex synthetic and biological materials.
