(Phys.org)—In een artikel dat zojuist is gepubliceerd in Natuurmaterialen , een team van onderzoekers waaronder William T.M. Irvine, assistent-professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Chicago, is erin geslaagd een defect in de structuur van een enkellaags kristal te creëren door simpelweg een extra deeltje in te voegen, en dan toekijken hoe het kristal zichzelf "geneest". De truc van deze zelfgenezende eigenschap is dat het kristal, een reeks microscopisch kleine deeltjes, moet gebogen zijn.

Dit effect, die belangrijke implicaties heeft voor het verbeteren van de geleidbaarheid van elektronica en andere gebieden van materiaalwetenschap, werd zes jaar geleden voorspeld door natuurkundige Mark Bowick van de Universiteit van Syracuse, samen met David Nelson, Homin Shin en Alex Travesset, in onderzoek ondersteund door de National Science Foundation. NSF financierde ook de nieuwe studie.

Om hun voorspelling experimenteel te bewijzen, Bowick ging op zoek naar Paul M. Chaikin van het Center for Soft Matter Research aan de New York University. Chaikin riep de hulp in van Irvine toen hij als postdoctoraal wetenschapper in het laboratorium van Chaikin werkte.

Alle drie de onderzoekers zijn gespecialiseerd in de tak van de materiaalwetenschap genaamd "zachte materie, " die een breed scala aan halfvaste stoffen bestudeert, zoals gels, schuim en vloeibare kristallen.

VAN ZACHTE MATTER EN SALADE DRESSING

Bowick beschreef de micro-emulsies van zachte materie waarmee hij werkt als vergelijkbaar met een op mayonaise gebaseerde ranchdressing.

"Mayonaise wordt gemaakt van een mengsel van olijfolie en azijn (wat in wezen water is), " legde hij uit. "Je moet de ingrediënten lang kloppen om kleine druppeltjes azijn in de olie te verspreiden om een ​​emulsie te maken." Maar om zoveel druppels gelijkmatig door de olie te mengen, is de aanwezigheid van een oppervlakteactieve stof vereist, een stabilisator die zowel in de olie als in het water even gelukkig is.

"In ranchdressing, de gebruikte oppervlakteactieve stof is gemalen mosterdzaaddeeltjes, die zich rangschikken op het grensvlak tussen het water en de olie, " zei Bowick. "De mosterdzaaddeeltjes verzamelen zich op het oppervlak van de waterdruppels."

Om gebogen kristallen te bestuderen, de onderzoekers emuleerden ranchdressing door microscopisch kleine acrylglasdeeltjes toe te voegen aan een emulsie van glyceroldruppeltjes, gemengd in een basis van olie.

Zoals het mosterdzaad, de glasdeeltjes verzamelen zich van nature op het oppervlak van individuele glyceroldruppeltjes. Afhankelijk van het experiment, ergens tussen de 100 en 10, 000 deeltjes bedekken elke druppel.

De positieve elektrische ladingen van de deeltjes stoten elkaar af, waardoor ze zich op natuurlijke wijze in een honingraatpatroon rangschikken, waarbij elk deeltje even ver verwijderd is van zes andere.

GEVORMDE KRISTALLEN

Het normale zeszijdige patroon past net zo min perfect om de bolvormige druppel als het inpakken van een voetbal resulteert in een perfect vlakke papieren bekleding. Net zoals het papier kreukt wanneer het naar het oppervlak van de bal wordt gevormd, het gebogen kristalpatroon genereert 12 defecten, of littekens, gelijkmatig verdeeld over de bol.

Het aantal en de locatie van deze littekens is een fundamentele structurele eigenschap die wordt voorgeschreven door de geometrie van de bol. Een soortgelijk patroon is te zien op de leren hoes van de voetbal, waarvoor 12 vijfhoekige vijfhoeken (defecten) gelijkmatig verdeeld zijn binnen een algemeen zeszijdig patroon.

Bowick was lid van het team dat deze eigenschap van 12 littekens van gebogen kristallen oorspronkelijk in 2003 ontdekte. hij vroeg zich af wat er zou gebeuren als ze een extra deeltje zouden toevoegen, een interstitial genoemd, precies in het midden van het kristal.

"Hoewel de deeltjes zichzelf hebben georganiseerd in een kristalpatroon, ze zijn nog steeds vrij om te wiebelen binnen die structuur, "Zei Bowick. "Je zou verwachten dat een extra deeltje de andere gewoon een beetje uit elkaar zou duwen en op hun plaats zou blijven, zoals het zou doen op een plat oppervlak."

Het resultaat zou een defect patroon zijn met een gebied van zeven- en vijfzijdige vormen, in plaats van de reguliere zeshoekige zeshoeken. Maar wat Bowick en collega's met computermodellen voorspelden, is dat op een gekromd oppervlak, een extra deeltje dat halverwege tussen twee littekens wordt toegevoegd, zou een defect in het patroon veroorzaken dat in twee delen splitst.

Ze berekenden dat de spanning op de kristallijne structuur veroorzaakt door deze twee defecten van de locatie zou "vloeien", als rimpelingen in een vijver, as the particles readjust their distances from one another.  Eventually the defects would migrate to opposite scars, where they would disappear.

Amazingly, the scientists predicted that the original particle's mass would remain close to where it was placed, and large areas of the hexagonal pattern would have rotated slightly ­— about 30 degrees. But the original defect would be gone.

To prove this remarkable result experimentally, echter, required a special instrument.

MAKING IT WORK

"William Irvine had already begun his beautiful experiments in my lab on colloidal crystals on curved surfaces, " recalled NYU's Chaikin. "The present study came from a conversation that Mark Bowick and I had on a plane coming back from a meeting several years ago. Mark's experiment was a natural extension of William's work."

"Voor dit project we had to figure out how to add a particle to the curved crystal, while imaging the particles as they shift around in three-dimensional space, " explained Irvine, who is now at UChicago's James Franck Institute. "This makes the experiment considerably more complicated."

Irvine planned to use optical tweezers to grab a microscopic particle from the surrounding emulsion and place it on the surface of a droplet using radiation pressure from a focused laser beam.

"In most experiments, you come in with the laser 'tweezers' using the same lens as you use for imaging the particle, and that's great, because you want to focus the beam on the same plane where you're looking, " Irvine said.

But for this experiment, the laser tweezers and the microscope had to be separated.

"A confocal microscope selects a very thin slice of the object to be imaged, so that one slice is in focus and the rest of the image (before and after) is out of focus, like a photo of a person with their face in focus and the background blurred, " he explained. "In order to create a full three-dimensional image, you move the objective up and down and bring the different slices into focus one at a time."

But moving the lens also moves the laser beam holding the particle.

"In order to hold onto a particle and watch what happens as you gradually bring it to the surface of the droplet, you have to essentially build a second microscope on top of the first one, " Irvine said. "Technically, that's not trivial—you have to get a lot of things to work at the same time."

But once Irvine had designed and built the instrument, the team tested Bowick's predictions and actually created video images showing the defects moving across the crystal surface and disappearing into the scars.

SELF-HEALING GRAPHENE

"The study of crystals on curved surfaces is interesting and important for systems that range from geodesic domes to viruses to Buckyballs, " said Chaikin, referring to symmetric molecules of carbon. "The defect structure and the 'healing' of defects are particularly important in the conductivity, heat and mechanical properties of carbon nanotubes, graphene and similar materials."

grafeen, a two-dimensional sheet of carbon molecules, is a very strong material and a good conductor of electricity.

"There are always going to be defects that will decrease the conductivity of graphene, " said Bowick. "Ultimately, for electronic devices, you want graphene with high conductivity and as pure as possible."

And that's where the researchers' discovery could prove an ideal solution. "You might be able to simply flex a piece of graphene, remove the defects, and improve the conductivity, " Bowick said.