某些材料中的分子以规则的重复模式排列，而其他一些材料中的分子却都指向随机方向。但在医学、计算机芯片制造和其他工业中使用的许多先进材料中，分子排列的复杂模式可以决定材料性质。
为了推进材料科学，NIST研究人员开发了一种新的方法来测量聚合物材料中分子的三维取向。在这幅图中，针状形式表示聚合物链，颜色表示偏离垂直平面的平均角度，针头的大小表示该平均值周围的取向分布。背景图像显示了原始数据，这些数据是通过宽带相干反斯托克斯拉曼散射（BCARS）方法得到的。来源：Y.J.Lee/NIST
科学家们还没有找到比较好的办法在微观尺度上测量三维分子取向，因此对某些材料性质的形成原因一无所知。现在，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员已经对塑料分子结构块（称为聚合物）的三维方向进行了测量，观察到了小至400纳米的细节。
《美国化学学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）上的一篇文章介绍了相关测量结果，其显示聚合物链以复杂而意想不到的方式扭曲和起伏。这些新的测量利用的是一种增强版的宽带相干反斯托克斯拉曼散射（BCARS）技术。
BCARS的工作原理是通过将激光束照射到材料上，使材料分子振动并发出自己的光。这项技术是由NIST在大约十年前开发，用于识别材料的成分。为了测量分子取向，NIST研究化学家Young Jong Lee增加了一个控制激光偏振的系统和解释BCARS信号的新数学方法。
具体而言，这项新技术测量了400纳米范围内聚合物链的平均取向度及周围的取向分布。这些测量将帮助科学家确定哪些分子取向模式能够产生他们所寻求的机械、光学和电学特性。
Lee说：“理解这种结构/功能关系可以真正加快发现过程。”
这将有助于研究人员优化用于动脉支架和人工膝盖等医疗器械的材料。这些装置表面分子的取向有助于确定它们与肌肉、骨骼和其他组织的结合程度。
这项研究也有助于利用逐层3D打印来制造产品的增材制造技术，这项技术正在改变电子、汽车、航空航天和其他行业。3D打印通常使用的是聚合物，研究人员不断寻找具有更好强度、柔韧性、耐热性和其他性能的新聚合物。
新的测量技术也可以用于优化半导体制造中使用的聚合物基超薄薄膜。现在，计算机芯片中的组件越来越小（根据摩尔定律预测，它们会越来越小），这些薄膜中的分子取向也变得越来越重要。
