Uventet Black Swan-defekt opdaget i blødt stof for første gang

I ny forskning, Forskere fra Texas A&M University har for første gang afsløret en enkelt mikroskopisk defekt kaldet en "tvilling" i en blød blok-copolymer ved hjælp af en avanceret elektronmikroskopiteknik. Denne defekt kan blive udnyttet i fremtiden til at skabe materialer med nye akustiske og fotoniske egenskaber.

"Denne defekt er som en sort svane - der foregår noget særligt, som ikke er typisk, " sagde Dr. Edwin Thomas, professor ved Institut for Materialevidenskab og Teknik. "Selvom vi valgte en bestemt polymer til vores undersøgelse, Jeg tror, ​​at tvillingefejlen vil være ret universel på tværs af en masse lignende bløde stofsystemer, som olier, overfladeaktive stoffer, biologiske materialer og naturlige polymerer. Derfor, vores resultater vil være værdifulde for forskellig forskning på tværs af feltet blødt stof."

Resultaterne af undersøgelsen er beskrevet i detaljer Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ).

Materialer kan stort set klassificeres som hårdt eller blødt stof. Hårde materialer, som metallegeringer og keramik, har generelt et meget regelmæssigt og symmetrisk arrangement af atomer. Yderligere, i hård materie, ordnede grupper af atomer arrangerer sig selv i nanoskopiske byggesten, kaldet enhedsceller. Typisk, disse enhedsceller består af kun få atomer og stables sammen for at danne den periodiske krystal. Blødt stof kan også danne krystaller bestående af enhedsceller, men nu er det periodiske mønster ikke på atomniveau; det forekommer i meget større skala fra samlinger af store molekyler.

I særdeleshed, for en A-B diblok copolymer, en slags blødt stof, det periodiske molekylære motiv består af to forbundne kæder:En kæde af A-enheder og en kæde af B-enheder. Hver kæde, kaldet en blok, har tusindvis af enheder knyttet sammen, og en blød krystal dannes ved selektiv aggregering af A-enhederne til domæner og B-enhederne til domæner, der danner enorme enhedsceller sammenlignet med hårdt stof.

En anden bemærkelsesværdig forskel mellem bløde og hårde krystaller er, at strukturelle defekter er blevet meget mere omfattende undersøgt i hårdt stof. Disse ufuldkommenheder kan forekomme på en enkelt atomart i materialet, kaldet en punktdefekt. For eksempel, punktdefekter i det periodiske arrangement af kulstofatomer i en diamant på grund af nitrogenurenheder skaber den udsøgte "kanariefugle" gule diamant. Ud over, ufuldkommenheder i krystaller kan forlænges som en linjedefekt eller spredes over et område som en overfladedefekt.

I det store hele, defekter i hårde materialer er blevet grundigt undersøgt ved hjælp af avancerede elektronbilleddannelsesteknikker. Men for at være i stand til at lokalisere og identificere defekter i deres blokcopolymer bløde krystaller, Thomas og hans kolleger brugte en ny teknik kaldet skive-og-visning scanning elektronmikroskopi. Denne metode gjorde det muligt for forskerne at bruge en fin ionstråle til at trimme en meget tynd skive af det bløde materiale af, så brugte de en elektronstråle til at afbilde overfladen under skiven, skær derefter i skiver igen, billede igen, igen og igen. Disse skiver blev derefter stablet digitalt sammen for at få en 3D-visning.

Til deres analyse, de undersøgte en diblokcopolymer lavet af en polystyrenblok og en polydimethylsiloxanblok. På det mikroskopiske plan, en enhedscelle af dette materiale udviser et rumligt mønster af den såkaldte "dobbelt gyroide" form, et kompleks, periodisk struktur bestående af to sammenflettede molekylære netværk, hvoraf det ene har en venstrehåndsrotation og det andet, en højrehåndet rotation.

Mens forskerne ikke aktivt ledte efter nogen særlig defekt i materialet, den avancerede billedbehandlingsteknik afslørede en overfladedefekt, kaldet en tvillingegrænse. På hver side af tvillingepunktet, de molekylære netværk forvandlede brat deres håndfasthed.

"Jeg kan godt lide at kalde denne defekt et topologisk spejl, og det er en rigtig fin effekt, sagde Thomas. Når man har en tvillingegrænse, det er som at se en refleksion i et spejl, når hvert netværk krydser grænsen, netværkene skifter hånd, højre bliver til venstre og omvendt. "

Forskeren tilføjede, at konsekvenserne af at have en tvillinggrænse i en periodisk struktur, der ikke i sig selv har nogen iboende spejlsymmetri, kunne inducere nye optiske og akustiske egenskaber, der åbner nye døre inden for materialeteknik og teknologi.

"I biologi, vi ved, at selv en enkelt defekt i DNA, en mutation, kan forårsage en sygdom eller en anden observerbar ændring i en organisme. I vores undersøgelse, vi viser en enkelt tvillingdefekt i et dobbelt gyroidemateriale, " sagde Thomas. "Fremtidig forskning vil undersøge, om der er noget særligt ved tilstedeværelsen af ​​et isoleret spejlplan i en struktur, som ellers ikke har nogen spejlsymmetri."