Ny teori lover at omforme, hvordan vi tænker om polymeroverbygninger

Polymerforskere ved University of Massachusetts Amherst annoncerede for nylig i tidsskriftet Nature Communications at de har løst et mangeårigt mysterium omkring en struktur i nanoskala, dannet af samlinger af molekyler, kaldet en dobbelt-gyroide. Denne form er en af ​​de mest ønskværdige for materialeforskere og har en bred vifte af anvendelser; men indtil nu har en forudsigelig forståelse af, hvordan disse former dannes, undgået forskere.

"Der er et smukt samspil mellem ren matematik og materialevidenskab," siger Greg Grason, avisens seniorforfatter og professor i polymervidenskab og -teknik ved UMass Amherst. "Vores arbejde undersøger, hvordan materialer selv samles til naturlige former."

Disse former kan antage mange former. De kan være enkle, som et lag, cylinder eller kugle. "Lidt som sæbefilm," tilføjer Michael Dimitriyev, en postdoc-forsker i polymervidenskab og teknik ved UMass Amherst, og en af ​​avisens medforfattere. "Der er en intuitiv forståelse af de former, som molekyler, såsom dem i sæbe, kan bygge. Det, vi har gjort, er at afsløre den skjulte geometri, der tillader polymerer at antage den dobbelte gyroide form."

Hvordan ser en dobbelt-gyroide ud? Det er ikke intuitivt. "De er noget mellem et lag og en cylinder," siger Abhiram Reddy, en postdoc-forsker ved Northwestern, som afsluttede denne forskning som en del af sit kandidatstudie ved UMass Amherst og papirets hovedforfatter. Med andre ord, forestil dig et fladt stykke vinduesskærm – et lag – og vrid det så op i et sadelformet lag, der passer ind i en kubisk boks på en sådan måde, at dens overfladeareal forbliver så lille som muligt. Det er en gyroid. En dobbelt-gyroide er, når et andet materiale, også snoet ind i en gyroide, udfylder hullerne i den første gyroide. Hvert gyroideformet materiale danner et netværk af rør, der gennemtrænger hinanden. Tilsammen danner de et enormt komplekst materiale, der både er symmetrisk på alle sider, ligesom mange krystaller, men alligevel gennemsyret af labyrintiske kanaler, der hver især er dannet af forskellige molekylære enheder. Fordi dette materiale er en hybrid af to gyroider, kan det konstrueres til at have modstridende egenskaber.

Disse dobbeltgyroider findes i naturen og er længe blevet observeret, men indtil nu har ingen helt fundet ud af, hvordan kædemolekyler, kendt som blokcopolymerer, ved, hvordan man danner dobbeltgyroider. Reddy og hans medforfattere byggede på en tidligere teoretisk model og tilføjede en stor dosis termodynamik og en ny tilgang til at tænke på pakningsproblemet - eller hvordan man bedst fylder en endelig beholder med materiale - lånt fra beregningsgeometri og kendt som medial kort. Da copolymererne skal strækkes for at optage alle dele af den selvsamlede struktur, kræver forståelsen af ​​denne formation at vide, hvordan molekylerne "måler midten" af former, som gyroider, der er langt mere komplekse end kugler og cylindre. Holdets opdaterede teoretiske model forklarer ikke kun den forvirrende dannelse af dobbelt-gyroider, men lover også at forstå, hvordan pakningsproblemet fungerer i en meget bredere vifte af selvsamlede overbygninger, såsom dobbelt-diamanter og dobbelt-primitiver, eller endda strukturer, der er endnu ikke opdaget.

Forskerne planlægger derefter at samarbejde med syntetiske kemikere for at begynde at raffinere deres teori med eksperimentelle data. Slutmålet er at være i stand til at konstruere en bred vifte af materialer, der drager fordel af dobbelt-gyroidens struktur, og som kan hjælpe med at fremme en bred vifte af teknologier fra genopladelige batterier til lysreflekterende belægninger. + Udforsk yderligere

Bløde dobbeltgyroider er unikke, men uperfekte krystaller