Niespodziewana wada „czarnego łabędzia” odkryta po raz pierwszy w miękkiej materii

W ramach nowych badań naukowcy z Texas A&M University po raz pierwszy ujawnili pojedynczy mikroskopijny defekt zwany „bliźniakiem” w kopolimerze o miękkiej masie, wykorzystujący zaawansowaną technologię mikroskopii elektronowej. Ta wada może zostać wykorzystana w przyszłości do tworzenia materiałów o nowych właściwościach akustycznych i fotonicznych.

„Ta wada jest jak czarny łabędź – coś wyjątkowego, co się zdarza i nie jest typowe” – powiedział dr Edwin Thomas, profesor na Wydziale Inżynierii Materiałowej. „ Chociaż do naszego badania wybraliśmy konkretny polimer, myślę, że podwójna wada byłaby dość uniwersalna w wielu podobnych systemach materiałów miękkich, takich jak oleje i środki powierzchniowo czynne, Materiały biologiczne I naturalne polimery. Dlatego nasze odkrycia będą przydatne w różnych badaniach w dziedzinie materiałów miękkich ”.

Wyniki badania są szczegółowo opisane w Materiały z National Academy of Sciences (PNAS).

Materiały można ogólnie podzielić na twarde lub miękkie. Ciała stałe, takie jak stopy metali i ceramika, mają na ogół regularny i bardzo symetryczny układ atomów. Ponadto w bryle grupy uporządkowanych atomów układają się w nanoskalowe bloki budulcowe Komórki elementarne. Zwykle te komórki elementarne składają się z kilku atomów i gromadzą się razem, tworząc okresowy kryształ. Miękka materia może również tworzyć kryształy składające się z komórek elementarnych, ale okresowy wzór nie jest teraz wyrównany Poziom atomowy; Występuje na znacznie większą skalę niż agregaty makrocząsteczek.

W szczególności w przypadku kopolimeru diblokowego AB, który jest rodzajem materiału miękkiego, cykliczny wzbudnik molekularny składa się z dwóch połączonych łańcuchów: jednego łańcucha jednostek A i jednego łańcucha jednostek B. Każdy łańcuch, zwany blokiem, zawiera tysiące połączonych jednostek razem, a kryształ jest miękki w wyniku selektywnego łączenia jednostek A w domenach i jednostek B w domenach, które tworzą komórki wielopunktowe w porównaniu z ciałem stałym.

Inną zauważalną różnicą między miękkimi i twardymi kryształami jest to, że defekty strukturalne badano dokładniej w ciele stałym. Wady te mogą wystąpić w pojedynczym miejscu atomu w materiale, zwanym defektem punktowym. Na przykład, punktowe defekty w okresowym rozmieszczeniu atomów węgla w diamentach spowodowane zanieczyszczeniami azotowymi tworzą jaskrawożółty „kanarek” diament. Ponadto defekty kryształów mogą zostać wydłużone jako wada linii lub rozłożone na obszarze jako wada powierzchni.

W dużej mierze niedoskonałości tkwią w środku Solidne materiały Zostało to dogłębnie zbadane przy użyciu zaawansowanych technik obrazowania elektronicznego. Aby jednak móc zidentyfikować i określić ilościowo defekty w miękkich kryształach utworzonych przez kopolimer, Thomas i współpracownicy zastosowali nową technikę zwaną mikroskopią elektronową i pokazami slajdów. Ta metoda pozwoliła naukowcom na użycie jonowej mikrowiązki do wycięcia bardzo cienkiego kawałka miękkiego materiału, a następnie użycie wiązki elektronów do sfotografowania powierzchni pod warstwą, a następnie wielokrotne cięcie obrazu. Slajdy te zostały następnie cyfrowo ułożone razem w celu renderowania 3D.

Do analizy zbadali kopolimer dwublokowy wykonany z bloku polistyrenu i bloku polimetylosiloksanu. Na poziomie mikroskopowym jednostka komórkowa z tego materiału wykazuje przestrzenny wzór tak zwanego kształtu „ podwójnej tarczycy ”, który jest złożoną, cykliczną strukturą składającą się z dwóch przeplatających się sieci molekularnych, z których jedna ma rotację lewoskrętną, a druga , prawostronny obrót.

Podczas gdy naukowcy nie szukali aktywnie żadnego konkretnego defektu w materiale, zaawansowana technologia obrazowania ujawniła defekt powierzchni, zwany podwójną granicą. Po obu stronach podwójnego złącza sieci molekularne gwałtownie zmieniają sposób, w jaki są ręczne.

„Lubię nazywać tę wadę lustrem topologicznym i to naprawdę fajny efekt” – powiedział Thomas. „Kiedy masz podwójną ramkę, to tak, jakbyś patrzył na odbicie w lustrze, gdzie każda siatka przekracza granice, siatki zmieniają sposób użycia rąk, prawa staje się lewe i odwrotnie”.

Badacz dodał, że konsekwencje podwójnego wiązania w strukturze okresowej, która sama w sobie nie zawiera żadnej nieodłącznej symetrii lustrzanej, mogą prowadzić do nowych właściwości optycznych i akustycznych, które otwierają nowe drzwi w inżynierii materiałowej i technologii.

„W biologii wiemy, że nawet pojedynczy defekt DNA lub mutacja może spowodować chorobę lub inną obserwowaną zmianę w organizmie. W naszych badaniach wykazaliśmy jednego bliźniaka. wada „Przyszłe badania będą miały na celu zbadanie, czy jest coś szczególnego w izolowanej płaszczyźnie lustra w strukturze, która inaczej nie miałaby symetrii lustrzanej” – powiedział Thomas.