Bij nieuw onderzoek Wetenschappers van de Texas A&M University hebben voor het eerst een enkel microscopisch defect onthuld, een "tweeling" genaamd, in een zacht-blokcopolymeer met behulp van een geavanceerde elektronenmicroscopietechniek. 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 - er is iets speciaals aan de hand dat niet typisch is, " zei dr. Edwin Thomas, hoogleraar bij de afdeling Materials Science and Engineering. "Hoewel we een bepaald polymeer hebben gekozen voor onze studie, Ik denk dat het tweelingdefect vrij universeel zal zijn in een aantal vergelijkbare systemen van zachte materie, zoals oliën, oppervlakteactieve stoffen, biologische materialen en natuurlijke polymeren. Daarom, onze bevindingen zullen waardevol zijn voor divers onderzoek op het gebied van zachte materie."

De resultaten van het onderzoek zijn gedetailleerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

Materialen kunnen grofweg worden geclassificeerd als harde of zachte materie. harde materialen, zoals metaallegeringen en keramiek, hebben over het algemeen een zeer regelmatige en symmetrische rangschikking van atomen. Verder, in harde materie, geordende groepen atomen rangschikken zich in nanoscopische bouwstenen, eenheidscellen genoemd. Typisch, deze eenheidscellen bestaan ​​uit slechts een paar atomen en stapelen zich op elkaar om het periodieke kristal te vormen. Zachte materie kan ook kristallen vormen bestaande uit eenheidscellen, maar nu is het periodieke patroon niet op atomair niveau; het komt op veel grotere schaal voor uit assemblages van grote moleculen.

Vooral, voor een A-B diblokcopolymeer, een soort zachte materie, het periodieke moleculaire motief bestaat uit twee gekoppelde ketens:een keten van A-eenheden en een keten van B-eenheden. Elke ketting, een blok genoemd, heeft duizenden eenheden met elkaar verbonden en een zacht kristal vormt zich door selectieve aggregatie van de A-eenheden in domeinen en B-eenheden in domeinen die enorme eenheidscellen vormen in vergelijking met harde materie.

Een ander opmerkelijk verschil tussen zachte en harde kristallen is dat structurele defecten veel uitgebreider zijn bestudeerd in harde materie. Deze onvolkomenheden kunnen optreden op een enkele atomaire locatie in materiaal, een puntdefect genoemd. Bijvoorbeeld, puntdefecten in de periodieke rangschikking van koolstofatomen in een diamant als gevolg van stikstofonzuiverheden creëren de prachtige "kanarie" gele diamant. In aanvulling, onvolkomenheden in kristallen kunnen langwerpig zijn als een lijndefect of zich over een gebied verspreiden als een oppervlaktedefect.

Over het algemeen, defecten in harde materialen zijn uitgebreid onderzocht met behulp van geavanceerde elektronenbeeldvormingstechnieken. Maar om defecten in hun zachte blokcopolymeerkristallen te kunnen lokaliseren en identificeren, Thomas en zijn collega's gebruikten een nieuwe techniek genaamd slice-and-view scanning elektronenmicroscopie. Met deze methode konden de onderzoekers een fijne ionenstraal gebruiken om een ​​heel dun plakje van het zachte materiaal af te snijden, toen gebruikten ze een elektronenstraal om het oppervlak onder de plak af te beelden, dan nog een keer snijden, afbeelding weer, opnieuw en opnieuw. Deze plakjes werden vervolgens digitaal op elkaar gestapeld om een ​​3D-weergave te krijgen.

Voor hun analyse ze onderzochten een diblokcopolymeer gemaakt van een polystyreenblok en een polydimethylsiloxaanblok. Op microscopisch niveau, een eenheidscel van dit materiaal vertoont een ruimtelijk patroon van de zogenaamde "dubbele gyroid" -vorm, een complex, periodieke structuur bestaande uit twee met elkaar verweven moleculaire netwerken waarvan de ene linksdraaiend is en de andere, een rechtshandige rotatie.

Hoewel de onderzoekers niet actief op zoek waren naar een bepaald defect in het materiaal, de geavanceerde beeldvormingstechniek ontdekte een oppervlaktedefect, een tweelinggrens genoemd. Aan weerszijden van de dubbele kruising, de moleculaire netwerken veranderden abrupt hun handigheid.

"Ik noem dit defect graag een topologische spiegel, en het is een heel mooi effect, "zei Thomas. "Als je een dubbele grens hebt, het is alsof je naar een weerspiegeling in een spiegel kijkt, als elk netwerk de grens overschrijdt, de netwerken wisselen handigheid, rechts wordt links en vice versa."

De onderzoeker voegde eraan toe dat de gevolgen van het hebben van een dubbele grens in een periodieke structuur die op zichzelf geen inherente spiegelsymmetrie heeft, nieuwe optische en akoestische eigenschappen zou kunnen veroorzaken die nieuwe deuren openen in materiaalkunde en technologie.

"In de biologie, we weten dat zelfs een enkel defect in het DNA, een mutatie, kan een ziekte of een andere waarneembare verandering in een organisme veroorzaken. In onze studie, we tonen een enkelvoudig defect in een dubbel gyroïde materiaal, " zei Thomas. "Toekomstig onderzoek zal onderzoeken of er iets speciaals is aan de aanwezigheid van een geïsoleerd spiegelvlak in een structuur, die anders geen spiegelsymmetrie heeft."