Alle materie bestaat uit een of meer fasen:ruimtegebieden met een uniforme structuur en fysieke eigenschappen. De gemeenschappelijke fasen van H2O (vast, vloeistof en gas), ook wel ijs genoemd, water en stoom, zijn goed bekend. evenzo, hoewel minder bekend, misschien, polymere materialen kunnen ook verschillende vaste of vloeibare fasen vormen die hun eigenschappen en uiteindelijke bruikbaarheid bepalen. Dit geldt met name voor blokcopolymeren, de zelf-assemblerende macromoleculen die ontstaan ​​wanneer een polymeerketen van het ene type ("Blok A") chemisch wordt verbonden met die van een ander type ("Blok B").

"Als je een blokcopolymeer wilt dat een bepaalde eigenschap heeft, je kiest de juiste fase voor een bepaalde toepassing van belang, " legde Chris Bates uit, een assistent-professor materialen aan het UC Santa Barbara College of Engineering. "Voor het rubber in schoenen, je wilt één fase; een membraan maken, je wilt een andere."

Slechts ongeveer vijf fasen zijn ontdekt in de eenvoudigste blokcopolymeren. Een nieuwe fase vinden is zeldzaam, maar Bates en een team van andere UC Santa Barbara-onderzoekers, waaronder professoren Glenn Fredrickson (chemische technologie) en Craig Hawker (materialen), Morgan Bates, stafwetenschapper en adjunct-directeur voor technologie bij het Dow Materials Institute van UCSB, en postdoctoraal onderzoeker Joshua Lequieu, heb net dat gedaan.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Ongeveer 12 maanden geleden, Morgan Bates deed wat experimenteel werk aan polymeren die ze in het lab had gesynthetiseerd. in een poging, ze zei, "om de fundamentele parameters te begrijpen die de zelfassemblage van blokcopolymeren bepalen door te onderzoeken wat er gebeurt als je de blokchemie aanpast."

Er zijn eindeloze mogelijkheden voor de chemie van "A" en "B" blokken, volgens Chris Bates. "Moderne synthetische chemie stelt ons in staat om in principe elk type A-polymeer te kiezen en het te verbinden met een ander B-blok, " zei hij. "Gezien deze enorme ontwerpruimte, de echte uitdaging is het uitzoeken van de meest cruciale knoppen om die controle zelfassemblage te draaien."

Morgan Bates probeerde die relatie tussen chemie en structuur te begrijpen.

"Ik had chemisch een parameter aangepast die verband houdt met wat 'conformationele asymmetrie' wordt genoemd, ' die beschrijft hoe de twee blokken ruimte vullen, " ze herinnerde zich het proces dat tot de ontdekking leidde. "We probeerden niet per se een nieuwe fase te vinden, maar dachten dat we misschien wat nieuw gedrag zouden ontdekken. In dit geval, de A- en B-blokken die covalent aan elkaar zijn gebonden, vullen de ruimte heel anders, en dat lijkt de onderliggende parameter te zijn die aanleiding geeft tot een unieke zelfassemblage."

Na het maken van de blokcopolymeren, ze nam ze mee naar de Advanced Photon Source in het Argonne National Laboratory, in Illinois, waar een techniek genaamd "kleine hoek röntgenverstrooiing" werd gebruikt om ze te karakteriseren. Het proces levert een tweedimensionale signatuur op van verstrooide röntgenstralen die zijn gerangschikt in concentrische ringen. De relatieve plaatsing en intensiteit van de ringen geeft een bepaalde fase aan. Morgan moest naar een nationaal laboratorium reizen, omdat het proces röntgenstralen vereist die krachtiger zijn dan wat op de campus kan worden geproduceerd.

Na dat werk, zei Chris Bates, "Met behulp van kennis van kristallografie, u kunt de verstrooiingsgegevens interpreteren en een beeld produceren alsof u met uw oog naar de structuur kijkt. En in dit geval, de data was van zo'n hoge kwaliteit dat we dat eenduidig ​​konden doen."

Morgan Bates herinnerde zich dat toen ze het röntgenpatroon onderzocht, één ding was onmiskenbaar duidelijk:"Het zag er anders uit. Ik dacht, 'Wat is dat?'"

Het was, natuurlijk, hun nieuw ontdekte fase, bekend als A15. "Met dit soort AB-blokcopolymeren, er zijn slechts een handvol fasen die mensen eerder hebben waargenomen, en we hebben er nog een gevonden, wat bijdraagt ​​aan het palet van mogelijke opties vanuit een ontwerpstandpunt, ' zei Chris.

"Onder de manieren om structuren te categoriseren, deze fase behoort tot een klasse die bekend staat als 'tetraëdrisch dicht opeengepakt', " voegde Lequieu eraan toe, een expert in computersimulaties die het fasegedrag van polymeren heeft gemodelleerd. "De fase die we in blokcopolymeren hebben gevonden, werd voor het eerst waargenomen in 1931 met een allotroop [of vorm] van wolfraam. Maar in dat geval, A15 vormt zich uit metaalatomen, die een zeer kleine structuur creëren op de atomaire lengteschaal. Onze blokcopolymeren hebben dezelfde structuur, maar op een lengteschaal twee orden van grootte groter, en, natuurlijk, er zijn geen metaalatomen bij betrokken.

"Als je beide met een microscoop zou bekijken, " hij ging verder, "hun structuren zouden er hetzelfde uitzien, maar dan in verschillende maten. Het is fascinerend dat de natuur ervoor kiest om dezelfde structurele motieven te gebruiken voor totaal verschillende materialen met totaal niet-gerelateerde scheikunde en natuurkunde."

Het project demonstreert het gemak van, en neiging tot, samenwerking tussen UC Santa Barbara-onderzoekers. Het begon met nieuwe chemie ontwikkeld door Hawker en Bates om de eigenschappen van materialen af ​​te stemmen, die werd gevolgd door Morgan's onverwachte karakteriseringsresultaten. "Vanaf daar, we gingen naar Josh en vertelden hem dat er iets vreemds in de experimenten was dat we niet hadden verwacht en vroegen hem waarom, " zei Chris Bates. Lequieu werkte vervolgens samen met Fredrickson om de computersimulaties te ontwikkelen.

"Er was een heel leuk heen en weer over dit project, " zei Lequieu. "Er werd een experiment gedaan dat moeilijk te begrijpen was, dus voerden we simulaties uit om het uit te leggen. Morgan deed toen meer experimenten, geïnformeerd door de resultaten van de eerste simulaties, en merkte op dat de berekeningen eigenlijk voorspellend waren. De experimenteel waargenomen fasen kwamen precies op de plek waar de simulaties zeiden dat ze dat zouden doen. In sommige plaatsen, maar de experimenten en simulaties waren het daar niet mee eens, dus we hebben het meerdere keren herhaald om de modellen te verbeteren en de subtiliteiten echt te begrijpen."

"Vooruit gaan, " voegde Chris Bates toe, "Ons team blijft materiaalsynthese en theorie integreren in een zoektocht naar meer uniek fasegedrag."

Lequieu beschreef de terugkoppeling van experiment naar simulatie naar theorie en weer terug als "een soort droom van de moderne materiaalwetenschap. Het kost Morgan veel werk om deze monsters te maken. Het is veel gemakkelijker als iemand de resultaten op een computer voorspelt en kan zeggen, 'Hier is een subset van polymeren om te synthetiseren die de gewenste structuur moeten vormen.' Deze zogenaamde 'inverse design'-aanpak bespaart haar veel tijd en moeite."

In termen van natuur die terugvalt op voorkeursontwerpen voor anders niet-gerelateerde materialen, een stukje geschiedenis is het vermelden waard. In 1887, Lord Kelvin - hij van de gelijknamige eenheden van absolute temperatuur - werkte aan wat later bekend werd als het 'Kelvin-probleem'. Het was een poging om te bepalen hoe de ruimte kon worden verdeeld in cellen van gelijk volume met de minste oppervlakte ertussen. Zijn voorgestelde oplossing, die het meest efficiënte bellenschuim aangaf, werd bekend als de 'Kelvin-structuur'.

Het hield ongeveer honderd jaar stand, maar in 1994 bleek onjuist te zijn. Kelvin had gekozen voor wat zou kunnen worden genoemd "Structuur A, " maar een team van Britse wetenschappers toonde aan dat "Structuur B" nog beter was. Sindsdien is Structuur B heeft bekendheid verworven in wetenschappelijke kringen en zelfs ver daarbuiten, verschijnen, bijvoorbeeld, in de vorm van gigantische bubbels die dienen als zowel functionele architecturale elementen als ontwerpelementen op het dak van het Beijing National Aquatics Centre, gebouwd voor de Olympische Spelen van 2008.

Het blijkt dat de nieuwe fase die de onderzoekers in dit project hebben ontdekt, A15, is structuur B, nogmaals bevestigend dat de natuur houdt van een eerder succesvol ontwerp.