El defecto inesperado «SW Swan» encontrado por primera vez en un estuche blando

En un nuevo estudio, los científicos de la Universidad Texas A&M descubrieron por primera vez un defecto microscópico en un polímero de bloque blando «gemelo» utilizando técnicas avanzadas de microscopía electrónica. Este defecto se puede utilizar posteriormente para crear materiales con nuevas propiedades acústicas y fotónicas.

«Este defecto es como la carpa negra. «Algo especial está sucediendo que no es típico», dijo el Dr. Edwin Thomas, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. «Aunque hemos elegido ciertos polímeros para nuestro estudio, creo que el defecto de Gemini será bastante universal en varios sistemas, como materiales blandos como aceites y tensioactivos. Materiales biologicos և Polímeros naturales. Por lo tanto, nuestros hallazgos serán valiosos para una variedad de investigaciones de materiales blandos «.

Los resultados del estudio se presentan en detalle Boletín científico de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS:)

Los materiales generalmente se pueden clasificar como materiales duros o blandos. Los sólidos, como las aleaciones de metales y las cerámicas, suelen tener una disposición simétrica y muy regular de átomos. Además, en el material pesado, los grupos ordenados de átomos están dispuestos en bloques de construcción nanoscópicos llamados celdas unitariasPor lo general, estas células unitarias están formadas por unos pocos átomos y se unen para formar un cristal periódico. El material blando también puede formar cristales que constan de celdas unitarias, pero ahora no se encuentra el patrón regular. nivel atómico; se produce a partir de grupos de moléculas mucho más grandes.

En particular, para un polímero AB de dos bloques, un tipo de material blando, el motivo molecular periódico consta de dos cadenas unidas. Una cadena de unidades A մեկ Una cadena de unidades B. Cada cadena, llamada bloque, tiene miles de unidades conectadas entre sí. Se forma un cristal blando en las bandas de la unidad A և unidades B, que forman las celdas de una enorme unidad de selección de material duro.

Otra diferencia notable entre cristales duros y blandos es que los defectos estructurales se han estudiado mucho más extensamente en materiales duros. Estas imperfecciones pueden ocurrir en un solo sitio atómico de una sustancia llamada defecto puntual. Por ejemplo, debido a las mezclas de nitrógeno, los defectos puntuales en la disposición regular de los átomos de carbono del diamante crean un fino diamante amarillo «canario». Además, los defectos de los cristales pueden extenderse como un defecto de línea o extenderse sobre un área como un defecto de superficie.

En general, defectos en el interior materiales solidos se han estudiado extensamente utilizando técnicas avanzadas de formación de imágenes electrónicas. Pero para localizar y detectar defectos en sus cristales blandos de polímero en bloque, Thomas y sus colegas utilizaron una nueva técnica llamada microscopio electrónico de vista de piezas. Este método permitió a los investigadores usar un haz de iones finos para cortar una pieza muy delgada de material blando, luego usaron un haz de electrones para obtener una imagen de la superficie debajo de la tela, y luego nuevamente las piezas, una y otra vez. Luego, estas piezas se apilaron digitalmente para obtener una imagen en 3D.

Para su análisis, estudiaron un copolímero de bloque hecho de bloque de poliestireno և bloque de polidimetilsiloxano. A nivel microscópico, la celda unitaria de este material representa un patrón espacial del llamado caballo «doble giroide», una estructura periódica compleja que consta de dos redes moleculares entrelazadas, una giratoria para zurdos y la otra giratoria para diestros. .

Aunque los investigadores no buscaban activamente ningún defecto específico en el material, las técnicas de imagen avanzadas encontraron un defecto superficial llamado borde gemelo. En ambos lados del nodo, las redes moleculares transformaron drásticamente su mano.

«Me gusta llamar a este defecto un espejo topológico, es un efecto realmente nítido», dijo Thomas. «Cuando tienes un borde gemelo, es como mirar un reflejo en un espejo, porque cada red cruza el borde, las redes cambian de manos, la derecha gira a la izquierda y viceversa».

El investigador agregó que los efectos de tener un límite gemelo en una estructura periódica, que en sí misma no tiene simetría especular, podrían dar lugar a nuevas propiedades óptico-sonoras, que abren nuevas puertas en la ingeniería y tecnología de materiales.

«En biología, sabemos que incluso un defecto en el ADN, una mutación, puede causar una enfermedad o algún otro cambio notable en el cuerpo. En nuestro estudio mostramos a un gemelo defecto «En un material que contiene giroscopios dobles», dijo Thomas, «investigaciones posteriores revelarán si hay algo especial en la presencia de un plano de espejo aislado en la estructura, que de otra manera no tiene la simetría de un espejo».