Forskere opdager en ny måde at helbrede defekter i materialer på

(Phys.org)—I et papir, der netop er offentliggjort i Naturmaterialer , et team af forskere, der omfatter William T.M. Irvine, assisterende professor i fysik ved University of Chicago, det er lykkedes at skabe en defekt i strukturen af ​​en enkeltlags krystal ved blot at indsætte en ekstra partikel, og så se, mens krystallen "heler" sig selv. Tricket til denne selvhelbredende egenskab er, at krystallen, en række mikroskopiske partikler, skal være buet.

Denne effekt, som har vigtige implikationer for at forbedre ledningsevnen af ​​elektronik og andre områder af materialevidenskab, blev forudsagt for seks år siden af ​​fysiker Mark Bowick fra Syracuse University, sammen med David Nelson, Homin Shin og Alex Travesset, i forskning støttet af National Science Foundation. NSF finansierede også den nye undersøgelse.

For at bevise deres forudsigelse eksperimentelt, Bowick opsøgte Paul M. Chaikin fra Center for Soft Matter Research ved New York University. Chaikin fik hjælp fra Irvine, mens han var postdoc, der arbejdede i Chaikins laboratorium.

Alle tre forskere har specialiseret sig i grenen af ​​materialevidenskab kaldet "blødt stof, " som studerer en bred vifte af halvfaste stoffer såsom geler, skum og flydende krystaller.

AF BØDE STOFFER OG SALATDRESSING

Bowick beskrev de bløde stofmikroemulsioner, han arbejder med, som at ligne en mayonnaise-baseret ranchdressing.

"Mayonnaise er lavet af en blanding af olivenolie og eddike (som i det væsentlige er vand), " forklarede han. "Du skal piske ingredienserne i lang tid for at sprede små dråber af eddike i olien for at lave en emulsion." Men at holde så mange dråber blandet jævnt gennem olien kræver tilstedeværelsen af ​​et overfladeaktivt middel, en stabilisator, der er lige glad i både olien og vandet.

"I ranch dressing, det anvendte overfladeaktive stof er formalede sennepsfrøpartikler, som placerer sig i grænsefladen mellem vandet og olien, " sagde Bowick. "Sennepsfrøpartiklerne samler sig på overfladen af ​​vanddråberne."

For at studere buede krystaller, forskerne emulerede ranchdressing ved at tilføje mikroskopiske akrylglaspartikler til en emulsion af glyceroldråber, blandet i en base af olie.

Som sennepsfrø, glaspartiklerne samler sig naturligt på overfladen af ​​individuelle glyceroldråber. Afhængig af eksperimentet, et sted mellem 100 og 10, 000 partikler dækker hver dråbe.

Partiklernes positive elektriske ladninger frastøder hinanden, får dem til at arrangere sig naturligt i et bikagemønster, med hver partikel lige langt fra seks andre.

ARREDE KRYSTALER

Det almindelige sekssidede mønster passer ikke perfekt rundt om den sfæriske dråbe mere end at indpakke en fodbold i gave, resulterer i en perfekt flad papirbelægning. Ligesom papiret rynker, når det støbes til boldens overflade, det buede krystalmønster genererer 12 defekter, eller ar, jævnt fordelt rundt om kuglen.

Antallet og placeringen af ​​disse ar er en grundlæggende strukturel egenskab foreskrevet af kuglens geometri. Et lignende mønster kan ses på fodboldens lædercover, hvilket kræver 12 femsidede femkanter (defekter) jævnt fordelt inden for et samlet sekssidet mønster.

Bowick var medlem af holdet, der oprindeligt opdagede denne egenskab med 12 ar af buede krystaller i 2003. Derefter, han spekulerede på, hvad der ville ske, hvis de tilføjede en ekstra partikel, kaldet en mellemliggende annonce, lige i midten af ​​krystallen.

"Selvom partiklerne har selvorganiseret sig i et krystalmønster, de er stadig frie til at vrikke rundt i den struktur, " sagde Bowick. "Du ville forvente, at en ekstra partikel bare ville skubbe de andre lidt fra hinanden og sætte sig på plads, som på en flad overflade."

Resultatet ville være et defekt mønster indeholdende et område med syv- og femsidede former, snarere end de regulære sekssidede sekskanter. Men hvad Bowick og kolleger forudsagde ved hjælp af computermodeller er, at på en buet overflade, en ekstra partikel tilføjet halvvejs mellem to ar ville skabe en defekt i mønsteret, der deler sig i to dele.

De beregnede, at belastningen på den krystallinske struktur forårsaget af disse to defekter ville "flyde" væk fra stedet, som krusninger på en dam, da partiklerne justerer deres afstande fra hinanden. Til sidst ville defekterne migrere til modsatte ar, where they would disappear.

Utroligt nok, 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, imidlertid, 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."

"For this 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."

grafen, 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.