Un inaspettato difetto del “cigno nero” scoperto per la prima volta nella materia molle

In una nuova ricerca, gli scienziati della Texas A&M University rivelano per la prima volta un singolo difetto microscopico chiamato “gemello” in un copolimero a massa morbida utilizzando una tecnologia avanzata di microscopia elettronica. Questo difetto potrebbe essere sfruttato in futuro per creare materiali con nuove proprietà acustiche e fotoniche.

“Questo difetto è come un cigno nero – qualcosa di speciale che accade e non è tipico”, ha detto il dottor Edwin Thomas, professore presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria. “ Sebbene abbiamo selezionato un polimero specifico per il nostro studio, penso che il doppio svantaggio sarebbe abbastanza universale su una gamma di sistemi di materiali morbidi simili, come oli e tensioattivi, Materiali biologici E polimeri naturali. Pertanto, i nostri risultati saranno utili per varie ricerche nel campo dei materiali morbidi “.

I risultati dello studio sono dettagliati in Atti della National Academy of Sciences (PNAS).

I materiali possono essere generalmente classificati come materiali duri o morbidi. I solidi, come le leghe metalliche e le ceramiche, hanno generalmente una disposizione degli atomi regolare e molto simmetrica. Inoltre, in un solido, gruppi di atomi ordinati si dispongono in blocchi di costruzione su scala nanometrica Celle unitarie. Normalmente, queste cellule unitarie sono costituite da pochi atomi e si accumulano insieme per formare il cristallo periodico. La materia morbida può anche formare cristalli costituiti da cellule unitarie, ma lo schema periodico ora non è a livello Il livello atomico; Si verifica su una scala molto più ampia rispetto agli assemblaggi di particelle di grandi dimensioni.

In particolare, per il copolimero AB diblocco, che è un tipo di materiale morbido, l’eccitatore molecolare ciclico è costituito da due catene collegate: una catena di unità A e una catena di unità B. Ciascuna catena, chiamata blocco, contiene migliaia di unità unite insieme e un cristallo Soft mediante assemblaggio selettivo di unità A in domini e unità B in domini che formano celle mega-unità rispetto al solido.

Un’altra notevole differenza tra cristalli duri e molli è che i difetti strutturali sono stati studiati più ampiamente nel solido. Questi difetti possono verificarsi in una singola posizione atomica all’interno del materiale, chiamata difetto puntuale. Ad esempio, difetti puntiformi nella disposizione periodica degli atomi di carbonio in un diamante a causa di impurità di azoto creano il diamante “canarino” giallo brillante. Inoltre, i difetti dei cristalli possono essere allungati come un difetto di linea o diffusi su un’area come un difetto superficiale.

In larga misura, le imperfezioni sono all’interno Materiali solidi Questo è stato ampiamente studiato utilizzando tecniche avanzate di imaging elettronico. Ma per essere in grado di identificare e quantificare i difetti nei cristalli molli formati dal copolimero, Thomas e colleghi hanno utilizzato una nuova tecnica chiamata microscopia elettronica e presentazioni. Questo metodo ha permesso ai ricercatori di utilizzare un micro-raggio ionico per tagliare una fetta molto sottile del materiale morbido, quindi ha utilizzato un fascio di elettroni per visualizzare la superficie sotto la fetta, quindi ha tagliato l’immagine ancora e ancora. Queste diapositive sono state poi impilate digitalmente insieme per un rendering 3D.

Per la loro analisi, hanno esaminato un copolimero a due blocchi costituito da un blocco di polistirene e un blocco di polimetilsilossano. A livello microscopico, l’unità cellulare di questo materiale mostra un modello spaziale della cosiddetta forma della ‘doppia tiroide’, che è una struttura ciclica complessa composta da due reti molecolari intrecciate, una con rotazione sinistrorsa e l’altra , rotazione destrorsa.

Sebbene i ricercatori non stessero attivamente cercando alcun difetto particolare nel materiale, la tecnologia di imaging avanzata ha rivelato un difetto superficiale chiamato doppio confine. Su entrambi i lati della doppia giunzione, le reti molecolari cambiano bruscamente il modo in cui sono mano.

“Mi piace chiamare questo difetto uno specchio topologico, ed è un effetto davvero interessante”, ha detto Thomas. “Quando hai un doppio bordo, è come guardare un riflesso in uno specchio, dove ogni griglia attraversa i confini, le griglie si spostano, la destra diventa sinistra e viceversa.”

Il ricercatore ha aggiunto che le conseguenze di avere un doppio vincolo in una struttura periodica che di per sé non contiene alcuna simmetria speculare intrinseca possono portare a nuove proprietà ottiche e acustiche che aprono nuove porte nell’ingegneria dei materiali e nella tecnologia.

“In biologia, sappiamo che anche un singolo difetto del DNA, o mutazione, può causare una malattia o altri cambiamenti osservabili in un organismo. Nel nostro studio, abbiamo mostrato un singolo gemello. difetto “In un materiale a doppia tiroide, la ricerca futura esplorerà se c’è qualcosa di speciale in un piano speculare isolato in una struttura che altrimenti non ha simmetria speculare”, ha detto Thomas.