Een onverwacht “zwarte zwaan” -defect ontdekt voor het eerst in zachte materie

In nieuw onderzoek onthullen wetenschappers van Texas A&M University voor de eerste keer een enkel microscopisch defect genaamd een “tweeling” in een copolymeer van zachte massa met behulp van geavanceerde elektronenmicroscopietechnologie. Dit defect kan in de toekomst worden uitgebuit om materialen te maken met nieuwe akoestische en fotonische eigenschappen.

“Dit defect is als een zwarte zwaan – iets speciaals dat gebeurt en niet typisch is”, zegt Dr. Edwin Thomas, professor bij de afdeling Materiaalkunde en Engineering. “ Hoewel we een specifiek polymeer hebben geselecteerd voor onze studie, denk ik dat het dubbele nadeel redelijk universeel zou zijn voor een reeks vergelijkbare zachte materiaalsystemen, zoals oliën en oppervlakteactieve stoffen, Biologische materialen En natuurlijke polymeren. Daarom zullen onze bevindingen van waarde zijn voor verschillende onderzoeken op het gebied van zachte materialen. “

De studieresultaten zijn gedetailleerd in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

De materialen kunnen grofweg worden geclassificeerd als harde of zachte materialen. Vaste stoffen, zoals metaallegeringen en keramiek, hebben over het algemeen een regelmatige en zeer symmetrische ordening van atomen. Bovendien rangschikken groepen geordende atomen zich in een vaste stof tot bouwstenen op nanoschaal Eenheidscellen. Normaal gesproken bestaan ​​deze eenheidscellen uit een paar atomen en hopen ze zich op om het periodieke kristal te vormen. De zachte materie kan ook kristallen vormen die uit eenheidscellen bestaan, maar het periodieke patroon is nu niet vlak Het atomaire niveau; Het komt op een veel grotere schaal voor dan samenstellingen van grote deeltjes.

In het bijzonder voor AB diblokcopolymeer, dat een soort zacht materiaal is, bestaat de cyclische moleculaire exciter uit twee gekoppelde ketens: een ketting van A-eenheden en een ketting van B-eenheden. Elke ketting, een blok genaamd, bevat duizenden verbonden eenheden. samen en een kristal Soft door selectieve assemblage van A-eenheden in domeinen en B-eenheden in domeinen die cellen met een mega-eenheid vormen in vergelijking met solide.

Een ander opmerkelijk verschil tussen harde en zachte kristallen is dat structurele defecten in de vaste stof breder zijn bestudeerd. Deze defecten kunnen optreden op een enkele atomaire locatie in het materiaal, het puntdefect genoemd. Puntdefecten in de periodieke rangschikking van koolstofatomen in een diamant als gevolg van stikstofverontreinigingen creëren bijvoorbeeld de briljante gele “kanarie” -diamant. Bovendien kunnen kristaldefecten worden verlengd als een lijndefect of verspreid over een gebied als een oppervlaktedefect.

Onvolkomenheden zitten voor een groot deel aan de binnenkant Stevige materialen Dit is uitgebreid onderzocht met behulp van geavanceerde elektronische beeldvormingstechnieken. Maar om defecten in de zachte kristallen gevormd door het copolymeer te kunnen identificeren en kwantificeren, gebruikten Thomas en collega’s een nieuwe techniek genaamd elektronenmicroscopie en diavoorstellingen. Met deze methode konden de onderzoekers een ionische microbundel gebruiken om een ​​heel dun plakje van het zachte materiaal te snijden, vervolgens een elektronenstraal gebruiken om het oppervlak onder het plakje af te beelden, en vervolgens het beeld keer op keer in plakjes snijden. Deze dia’s werden vervolgens digitaal gestapeld voor een 3D-weergave.

Voor hun analyse onderzochten ze een tweeblokcopolymeer gemaakt van een polystyreenblok en een polymethylsiloxaanblok. Op microscopisch niveau vertoont de celeenheid van dit materiaal een ruimtelijk patroon van de zogenaamde ‘dubbele schildklier’-vorm, een complexe, cyclische structuur die bestaat uit twee ineengestrengelde moleculaire netwerken, de ene met linkshandige rotatie en de andere , rechtshandige rotatie.

Hoewel onderzoekers niet actief op zoek waren naar een bepaald defect in het materiaal, onthulde geavanceerde beeldtechnologie een oppervlaktedefect dat de dubbele grens wordt genoemd. Aan weerszijden van de dubbele kruising veranderen de moleculaire netwerken abrupt de manier waarop ze met de hand zijn.

“Ik noem dit defect graag een topologische spiegel, en het is echt een gaaf effect”, zei Thomas. “Als je een dubbele rand hebt, is het alsof je naar een weerspiegeling in een spiegel kijkt, waar elk raster grenzen overschrijdt, rasters verschuiven, rechts wordt links en vice versa.”

De onderzoeker voegde eraan toe dat de gevolgen van het hebben van een dubbele binding in een periodieke structuur die op zichzelf geen inherente spiegelsymmetrie bevat, kunnen leiden tot nieuwe optische en akoestische eigenschappen die nieuwe deuren openen in materiaaltechnologie en -technologie.

“In de biologie weten we dat zelfs een enkel DNA-defect, of mutatie, een ziekte of andere waarneembare verandering in een organisme kan veroorzaken. In onze studie hebben we een enkele tweeling laten zien.” defect “In een materiaal met dubbele schildklier zal toekomstig onderzoek onderzoeken of er iets speciaals is aan een geïsoleerd spiegelvlak in een structuur die anders geen spiegelsymmetrie heeft”, zei Thomas.