Bløde dobbeltgyroider er unikke, men ufuldkommen, krystaller

Hvad der ser ud til at være en umuligt kompliceret labyrint, er faktisk ret simpelt. To komplicerede labyrinter, sammenflettet, men ikke rørende, fortælle en anden historie.

Forestil dig dem nu på nanoskalaen og lavet af bløde krystaller. Materialeforsker Ned Thomas fra Rice University's Brown School of Engineering har gjort mere end at forestille sig dem - han og hans laboratorium har lavet og analyseret dem, skive for nano skive.

Thomas og hans team rapporterer ind Natur deres karakterisering af en blødt stof dobbelt gyroidea. Hvad de kort troede ville være en perfekt dobbelt gyroidea, dets buede arrangement af noder og stænger, der gentager i det uendelige, skulle ikke være. De fandt i stedet ud af, at deres håbede kubiske konstruktion var fuld af forvrængninger.

En gyroidea er en krystal baseret på tre gange periodiske minimale overflader, en geometri, der tillader dens gentagne form at sprede sig ud i tre dimensioner for evigt (eller i det mindste indtil begrænset). De findes nogle gange i naturen; for eksempel, gyroider giver sommerfuglevinger deres iris.

Forskere og ingeniører er interesserede i gyroider på grund af den måde, de interagerer med både lys- og lydbølger, lovende materialer i nanoskala med nye egenskaber. Gyroideas form dikterer, hvordan og endda om en bølge vil passere igennem til den anden side. På den måde, materialet kan være usynligt for nogle bølger, eller en reflektor med andre bølgelængder.

Bemærkelsesværdigt, den kemiske kombination af polydimethylsiloxan (PDMS) og polystyren, oprindeligt opløst i en opløsning, samles selv til en dobbelt gyroide, med to forskellige PDMS-netværk, der danser rundt om hinanden uden nogensinde at røre.

En dobbelt gyroidea kan være endnu mere justerbar, da forskellige materialer, der gør hvert netværk, kan påvirke signaler forskelligt. Alt dette er baseret på, at enhedscellestrukturen er perfekte terninger.

desværre, de bløde dobbeltgyroider, der samles til en blokcopolymer, er ikke, ifølge Thomas, hovedforfatter og postdoc-forsker Xueyan Feng og deres kolleger.

"Vi kalder gyroidea-netværkene røde og blå, men de er faktisk den samme kemiske forbindelse, PDMS, sagde Thomas, opsamling af 3-D-modeller af strukturer i nanoskala. "Tingene mellem dem er styren, og der er mere styren end rød og blå."

Hvis den grundlæggende gentagelse af 3D-mønsteret indlejret i hver gyroidea var en perfekt terning, det ville have fået materialet til at svare til nr. 230, den sidste mulige struktur på den århundrede gamle liste over rumgrupper, der kategoriserer alle mulige 3-D konfigurationer af materialer, han sagde.

"Mineraloger og matematikere oprettede denne liste, da de blev interesseret i, for eksempel, hvorfor kvartskrystaller har den symmetri, de har, og fandt ud af alle de rumlige arrangementer af symmetrielementer:translation, rotation, afspejling, inversion, roto-inversion, roterende refleksion, skrue og glide, " sagde Thomas. "Der er kun 230 måder at sætte dem sammen på selvkonsistente måder.

"Og min gruppe var den første til at finde nr. 230 i blokcopolymerer i 1994, men det viser sig, at det faktisk ikke er præcist kubisk, når det dannes - og det har ingen vidst før nu, " han sagde.

Med hjælp fra Rice Electron Microscopy Center, forskerne tilpassede et elektronmikroskop til alternativt at afbilde og derefter bruge en ionstråle til forsigtigt at fjerne en 3-nanometer skive fra en dobbelt-gyroideblok. De gjorde dette hundredvis af gange over et meget stort område, gør det muligt at rekonstruere et stort volumen af ​​den dobbelte gyroide struktur i høj opløsning.

Det afslørede korngrænser i hele strukturen, dannet, da den dobbelte gyroidea dannede kerne forskellige steder i opløsning og kom sammen ude af justering, fremtvinger uoverensstemmelse ved netværkskryds. De fandt ud af, at den faktiske enhedscelle ikke var den højest mulige symmetri (kubisk), men var den laveste:en triklinisk celle, der mens den er konstant inden for et givet korn, varieret fra korn til korn gennem hele strukturen. Det førte til det overordnede udseende af "en gennemsnitlig kubik, " sagde Thomas, mens i virkeligheden, symmetrien var væsentligt forvrænget fra kubisk.

"Den startpolymeropløsning, folk bruger til at fremstille disse materialer, er for det meste opløsningsmiddel, og når det fordamper og strukturen begynder at dannes, det samlede system krymper, " sagde han. "Hvis den krymper ensartet i alle retninger, det ville være ok, men det gør den ikke. Forskellige korn og forskellige orienteringer bliver klemt af krympekræfter, så det burde ikke være en overraskelse at få forvrængninger."

Det betyder, at enhedscellerne bryder symmetrien, når blokpolymermolekylerne trækker denne vej og for at nå deres minimale energibindingstilstande, sagde Thomas.

"Bundlinjen er, at hvis du planlægger at bruge disse som kubiske fotoniske og foniske krystaller med båndgab, som alle er beregnet ud fra en perfekt kubisk struktur i en perfekt, uendelig, kubisk gitter, du har en anden ting på vej, " sagde han. "Du kan ikke lave det eksperimentelt, medmindre du finder ud af nogle nye vækstteknikker."

Alligevel, rislaboratoriet arbejder hen imod kubiske kreationer, sagde Feng. "At slå tyngdekraften fra ville hjælpe, eller lave dem i rummet, " sagde han. Men uden disse muligheder, forskerne leder efter en teknik til at fordampe opløsningen i alle retninger for at lindre retningsbestemt stress på materialet.

"Naturen kender ikke til chiralitet eller matematik eller rumgrupper, " sagde Thomas. "Men det er fascinerende, at disse molekyler er smarte nok til at gøre det."