Wat een onmogelijk ingewikkeld doolhof lijkt te zijn, is eigenlijk heel eenvoudig. Twee ingewikkelde doolhoven, verweven maar niet aanraken, een ander verhaal vertellen.

Stel je ze nu voor op nanoschaal en gemaakt van zachte kristallen. Materiaalwetenschapper Ned Thomas van de Brown School of Engineering van Rice University heeft meer gedaan dan ze zich kunnen voorstellen - hij en zijn laboratorium hebben ze gemaakt en geanalyseerd, plakje voor nanoplakje.

Thomas en zijn team rapporteren in Natuur hun karakterisering van een zachte-materie dubbele gyroid. Wat ze even dachten dat een perfecte dubbele gyroid zou zijn, zijn gebogen opstelling van knopen en staven die zich tot in het oneindige herhalen, mocht niet zijn. Ze ontdekten in plaats daarvan dat hun gehoopte kubusvormige constructie vol vervormingen was.

Een gyroid is een kristal gebaseerd op driemaal periodieke minimale oppervlakken, een geometrie waarmee zijn herhalende vorm zich voor altijd in drie dimensies kan verspreiden (of in ieder geval tot het wordt beperkt). Ze worden soms in de natuur gevonden; bijvoorbeeld, gyroids geven vlindervleugels hun irisatie.

Wetenschappers en ingenieurs zijn geïnteresseerd in gyroïden vanwege de manier waarop ze interageren met zowel licht- als geluidsgolven, veelbelovende materialen op nanoschaal met nieuwe eigenschappen. De vorm van de gyroide bepaalt hoe en zelfs of een golf doorgaat naar de andere kant. Op die manier, het materiaal kan voor sommige golven onzichtbaar zijn, of een reflector van andere golflengten.

Opmerkelijk, de chemische combinatie van polydimethylsiloxaan (PDMS) en polystyreen, aanvankelijk opgelost in een oplossing, assembleert zichzelf tot een dubbele gyroid, met twee verschillende PDMS-netwerken die om elkaar heen dansen zonder elkaar ooit aan te raken.

Een dubbele gyroid kan nog beter afstembaar zijn, aangezien verschillende materialen waardoor elk netwerk signalen anders kan beïnvloeden. Dit alles is gebaseerd op het feit dat de eenheidscelstructuur perfecte kubussen zijn.

Helaas, de zachte dubbele gyroïden die samenkomen in een blokcopolymeer zijn dat niet, volgens Tomas, hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker Xueyan Feng en hun collega's.

"We noemen de gyroid-netwerken rood en blauw, maar ze zijn eigenlijk dezelfde chemische verbinding, PDMS, " zei Tomas, het oppakken van 3D-modellen van de structuren op nanoschaal. "Het spul tussen hen is styreen, en er is meer styreen dan rood en blauw."

Als de basisherhaling van het 3D-patroon ingebed in elke gyroide een perfecte kubus zou zijn, waardoor het materiaal overeen zou komen met nr. 230, de laatst mogelijke structuur op de eeuwenoude lijst van ruimtegroepen die alle mogelijke 3D-configuraties van materialen categoriseert, hij zei.

"Mineralogen en wiskundigen hebben deze lijst gemaakt toen ze geïnteresseerd raakten in, bijvoorbeeld, waarom kwartskristallen de symmetrie hebben die ze hebben en hebben alle ruimtelijke rangschikkingen van symmetrie-elementen bedacht:translatie, rotatie, reflectie, inversie, roto-inversie, roto-reflectie, schroeven en glijden, Thomas zei. „Er zijn slechts 230 manieren om die op zelfconsistente manieren samen te stellen.

"En mijn groep was de eerste die nr. 230 vond in blokcopolymeren in 1994, maar het blijkt dat het niet echt precies kubisch is wanneer het wordt gevormd - en niemand wist dat tot nu toe, " hij zei.

Met de hulp van het Rice Electron Microscopy Center, de onderzoekers pasten een elektronenmicroscoop aan om als alternatief een afbeelding te maken en vervolgens een ionenstraal te gebruiken om voorzichtig een plak van 3 nanometer uit een blok met dubbele gyroïde te verwijderen. Ze deden dit honderden keren over een zeer groot gebied, waardoor een enorm volume van de dubbele gyroid-structuur in hoge resolutie kan worden gereconstrueerd.

Dat onthulde korrelgrenzen door de hele structuur, gevormd toen de dubbele gyroide op verschillende plaatsen in oplossing kiemde en uit de lijn kwam, het forceren van mismatch op netwerkknooppunten. Ze ontdekten dat de werkelijke eenheidscel niet de hoogst mogelijke symmetrie (kubisch) was, maar was de laagste:een triklinische cel die, terwijl constant binnen een bepaalde korrel, varieerde van korrel tot korrel door de structuur. Dat leidde tot het algehele beeld van "een gemiddelde kubieke, "Tom zei, terwijl in werkelijkheid de symmetrie was significant vervormd van kubieke.

"De startpolymeeroplossing die mensen gebruiken om deze materialen te maken, is meestal oplosmiddel, en wanneer het verdampt en de structuur begint te vormen, het totale systeem krimpt, "zei hij. "Als het gelijkmatig in alle richtingen krimpt, dat zou goed zijn, maar dat doet het niet. Verschillende korrels en verschillende oriëntaties worden verpletterd door krimpkrachten, dus het zou geen verrassing moeten zijn om vervormingen te krijgen."

Dat betekent dat de eenheidscellen de symmetrie verbreken als de blokpolymeermoleculen deze kant op trekken en dat om hun minimale energiebindingstoestanden te bereiken, zei Tomas.

"Het komt erop neer dat als je van plan bent deze te gebruiken als kubische fotonische en fononische kristallen met bandhiaten, die allemaal zijn berekend op basis van een perfecte kubieke structuur in een perfecte, eindeloos, kubieke rooster, er komt nog iets aan, "zei hij. "Je kunt dat niet experimenteel maken tenzij je een aantal nieuwe groeitechnieken ontdekt."

Hoe dan ook, het Rice-lab werkt aan kubieke creaties, zei Feng. "De zwaartekracht uitschakelen zou helpen, of ze in de ruimte te maken, " zei hij. Maar zonder die opties, de onderzoekers zoeken naar een techniek om de oplossing in alle richtingen te verdampen om de richtingsspanning op het materiaal te verlichten.

"De natuur weet niets van chiraliteit of wiskunde of ruimtegroepen, " zei Thomas. "Maar het is fascinerend dat deze moleculen slim genoeg zijn om het te doen."