Un defect neașteptat al „lebedei negre” descoperit pentru prima dată în materia moale

În cadrul unor noi cercetări, oamenii de știință ai Universității Texas A&M au dezvăluit pentru prima dată un singur defect microscopic numit „gemeni” într-un copolimer cu masă moale, folosind tehnologia avansată de microscopie electronică. Acest defect poate fi exploatat în viitor pentru a crea materiale cu noi proprietăți acustice și fotonice.

„Acest defect este ca o lebădă neagră – ceva special care se întâmplă și nu este tipic”, a spus dr. Edwin Thomas, profesor la Departamentul de Știința și Ingineria Materialelor. „Deși am selectat un polimer specific pentru studiul nostru, cred că dublul dezavantaj ar fi destul de universal într-o serie de sisteme similare de materiale moi, cum ar fi uleiuri și agenți tensioactivi, Materiale biologice Și polimeri naturali. Prin urmare, descoperirile noastre vor fi utile pentru diverse cercetări din domeniul materialelor moi. „

Rezultatele studiului sunt detaliate în Lucrările Academiei Naționale de Științe (PNAS).

Materialele pot fi clasificate în general ca materiale dure sau moi. Solidele, cum ar fi aliajele metalice și ceramica, au în general un aranjament regulat și foarte simetric al atomilor. Mai mult, într-un solid, grupuri de atomi ordonați se aranjează în blocuri de construcție la scară nanomatică Celule unitare. În mod normal, aceste celule unitare sunt formate din câțiva atomi și se acumulează împreună pentru a forma cristalul periodic. Materia moale poate forma, de asemenea, cristale formate din celule unitare, dar modelul periodic nu este acum egal Nivelul atomic; Apare la o scară mult mai mare decât ansamblurile de particule mari.

În special, pentru copolimerul dibloc AB, care este un tip de material moale, excitatorul molecular ciclic constă din două lanțuri legate: un lanț de unități A și un lanț de unități B. Fiecare lanț, numit bloc, conține mii de unități unite împreună și un cristal moale prin asamblarea selectivă a unităților A în domenii și a unităților B în domenii care formează celule de megaunități în comparație cu solidul.

O altă diferență notabilă între cristalele dure și cele moi este că defectele structurale au fost studiate mai pe larg în solid. Aceste defecte pot apărea într-o singură locație atomică din interiorul materialului, numită defect punctual. De exemplu, defectele punctuale ale aranjamentului periodic al atomilor de carbon într-un diamant datorate impurităților de azot creează un diamant galben strălucitor „canar”. În plus, defectele de cristal pot fi prelungite ca defecte de linie sau răspândite pe o zonă ca defecte de suprafață.

În mare măsură, imperfecțiunile sunt în interior Materiale solide Acest lucru a fost investigat pe larg folosind tehnici avansate de imagistică electronică. Dar, pentru a putea identifica și cuantifica defectele cristalelor moi formate din copolimer, Thomas și colegii săi au folosit o nouă tehnică numită microscopie electronică și prezentări de diapozitive. Această metodă le-a permis cercetătorilor să folosească un micro-fascicul ionic pentru a tăia o felie foarte subțire de material moale, apoi a folosit un fascicul de electroni pentru a imagina suprafața de sub felie, apoi a feliat imaginea din nou și din nou. Aceste diapozitive au fost apoi stivuite digital împreună pentru o redare 3D.

Pentru analiza lor, au examinat un copolimer cu două blocuri realizat dintr-un bloc de polistiren și un bloc de polimetilsiloxan. La nivel microscopic, unitatea celulară din acest material prezintă un model spațial cu așa-numita formă de „tiroidă dublă”, care este o structură complexă, ciclică, formată din două rețele moleculare întrețesute, una având rotație stânga și cealaltă , rotație dreapta.

În timp ce cercetătorii nu căutau în mod activ vreun defect anume al materialului, tehnologia avansată de imagistică a dezvăluit un defect de suprafață numit dubla limită. De ambele părți ale joncțiunii duble, rețelele moleculare schimbă brusc modul în care sunt mână.

„Îmi place să numesc acest defect o oglindă topologică și este un efect foarte cool”, a spus Thomas. „Când ai o margine dublă, este ca și cum ai privi o oglindă într-o oglindă, unde fiecare grilă trece granițele, grilele se deplasează, dreapta devine stânga și invers.”

Cercetătorul a adăugat că consecințele unei legături duble într-o structură periodică care nu conține în sine o simetrie inerentă a oglinzilor poate duce la noi proprietăți optice și acustice care deschid noi uși în ingineria și tehnologia materialelor.

„În biologie, știm că chiar și un singur defect ADN, sau mutație, poate provoca o boală sau altă modificare observabilă a unui organism. În studiul nostru, am arătat un singur gemeni. defect „Într-un material cu dublă tiroidă, cercetările viitoare vor explora dacă există ceva special la un plan de oglindă izolat într-o structură care altfel nu are simetrie de oglindă”, a spus Thomas.