Polymeerwetenschappers van de Universiteit van Massachusetts Amherst hebben onlangs aangekondigd in het tijdschrift Nature Communications dat ze een al lang bestaand mysterie hebben opgelost rond een structuur op nanoschaal, gevormd door verzamelingen moleculen, een dubbele gyroïde genaamd. Deze vorm is een van de meest wenselijke voor materiaalwetenschappers en heeft een breed scala aan toepassingen; maar tot nu toe is een voorspelbaar begrip van hoe deze vormen ontstaan, onderzoekers ontgaan.

"Er is een prachtig samenspel tussen pure wiskunde en materiaalwetenschap", zegt Greg Grason, senior auteur van de paper en professor in polymeerwetenschap en -techniek aan de UMass Amherst. "Ons werk onderzoekt hoe materialen zichzelf assembleren tot natuurlijke vormen."

Deze vormen kunnen vele vormen aannemen. Ze kunnen eenvoudig zijn, zoals een laag, cilinder of bol. "Een beetje zoals zeepfilms", voegt Michael Dimitriyev toe, een postdoctoraal onderzoeker in polymeerwetenschap en -techniek aan UMass Amherst, en een van de co-auteurs van het artikel. "Er is een intuïtief begrip van de vormen die moleculen, zoals die in zeep, kunnen bouwen. Wat we hebben gedaan, is de verborgen geometrie onthullen waardoor polymeren de vorm met dubbele gyroïde kunnen aannemen."

Hoe ziet een dubbele gyroide eruit? Het is niet intuïtief. "Ze zijn iets tussen een laag en een cilinder", zegt Abhiram Reddy, een postdoctoraal onderzoeker bij Northwestern die dit onderzoek voltooide als onderdeel van zijn afstudeeronderzoek aan UMass Amherst en de hoofdauteur van het artikel. Met andere woorden, stel je een plat stuk raamscherm voor - een laag - en draai het dan omhoog tot een zadelvormige laag die zo in een kubusvormige doos past dat het oppervlak zo klein mogelijk blijft. Dat is een gyroïde. Een dubbele gyroide is wanneer een tweede materiaal, ook in een gyroid gedraaid, de gaten in de eerste gyroid opvult. Elk gyroïdaal materiaal vormt een netwerk van buizen die elkaar doordringen. Samen vormen ze een enorm complex materiaal dat zowel aan alle kanten symmetrisch is, zoals veel kristallen, maar toch doordrongen is van labyrintische kanalen, elk gevormd uit verschillende moleculaire eenheden. Omdat dit materiaal een hybride is van twee gyroïden, kan het zo worden ontworpen dat het tegenstrijdige eigenschappen heeft.

Deze dubbele gyroïden bestaan ​​in de natuur en zijn al lang waargenomen, maar tot nu toe heeft niemand helemaal door hoe ketenmoleculen, ook wel blokcopolymeren genoemd, weten hoe ze dubbele gyroïden kunnen vormen. Reddy en zijn co-auteurs bouwden voort op een eerder theoretisch model en voegden een zware dosis thermodynamica toe en een nieuwe benadering van het denken over het verpakkingsprobleem - of hoe je een eindige container het beste met materiaal kunt vullen - ontleend aan computationele geometrie en bekend als de mediale kaart. Omdat de copolymeren zich moeten uitrekken om elk deel van de zelf-geassembleerde structuur te bezetten, vereist het begrijpen van deze formatie dat je weet hoe de moleculen "het midden meten" van vormen, zoals gyroïden, die veel complexer zijn dan bollen en cilinders. Het bijgewerkte theoretische model van het team verklaart niet alleen de raadselachtige vorming van dubbele gyroïden, maar biedt ook een belofte om te begrijpen hoe het verpakkingsprobleem werkt in een veel breder scala aan zelf-geassembleerde superstructuren, zoals dubbele diamanten en dubbele primitieven, of zelfs structuren die moeten nog worden ontdekt.

De onderzoekers zijn vervolgens van plan om samen te werken met synthetische chemici om hun theorie te verfijnen met experimentele gegevens. Het einddoel is om een ​​grote verscheidenheid aan materialen te kunnen ontwikkelen die profiteren van de structuur van de dubbele gyroide en die een breed scala aan technologieën kunnen helpen bevorderen, van oplaadbare batterijen tot lichtreflecterende coatings. + Verder verkennen

Zachte dubbele gyroïden zijn unieke, maar onvolmaakte kristallen