Неожиданный дефект «черный лебедь», впервые обнаруженный в мягкой материи

В новом исследовании, проведенном учеными Техасского университета A&M с использованием передовой технологии электронной микроскопии, впервые обнаружен единственный микроскопический дефект, называемый «двойником» в сополимере с мягкой массой. Этот дефект может быть использован в будущем для создания материалов с новыми акустическими и фотонными свойствами.

«Этот дефект похож на черного лебедя — что-то особенное, что случается и не является типичным», — сказал доктор Эдвин Томас, профессор кафедры материаловедения и инженерии. « Хотя мы выбрали конкретный полимер для нашего исследования, я думаю, что двойной недостаток будет довольно универсальным для ряда аналогичных систем мягких материалов, таких как масла и поверхностно-активные вещества, Биологические материалы И натуральные полимеры. Таким образом, наши результаты будут полезны для различных исследований в области мягких материалов ».

Результаты исследования подробно описаны в Труды Национальной академии наук (PNAS).

Материалы в широком смысле можно разделить на твердые и мягкие. Твердые тела, такие как металлические сплавы и керамика, обычно имеют регулярное и очень симметричное расположение атомов. Более того, в твердом теле группы упорядоченных атомов объединяются в наноразмерные строительные блоки. Единичные ячейки. Обычно эти элементарные ячейки состоят из нескольких атомов и накапливаются вместе, образуя периодический кристалл. Мягкое вещество также может образовывать кристаллы, состоящие из элементарных ячеек, но периодическая структура теперь не ровная. Атомный уровень; Это происходит в гораздо большем масштабе, чем скопления крупных частиц.

В частности, для диблок-сополимера AB, который представляет собой тип мягкого материала, циклический молекулярный возбудитель состоит из двух связанных цепей: одной цепи из звеньев А и одной цепи из звеньев В. Каждая цепь, называемая блоком, содержит тысячи соединенных звеньев. вместе и кристалл Soft путем избирательной сборки единиц A в доменах и единиц B в доменах, которые образуют мегаэлементные ячейки по сравнению с твердым телом.

Еще одно заметное различие между твердыми и мягкими кристаллами состоит в том, что структурные дефекты в твердом теле изучены более широко. Эти дефекты могут возникать в одном месте атома материала, называемом точечным дефектом. Например, точечные дефекты в периодическом расположении атомов углерода в алмазе из-за примесей азота создают ярко-желтый «канареечный» алмаз. Кроме того, дефекты кристаллов могут быть удлинены как линейный дефект или распространяться по площади как поверхностный дефект.

В значительной степени внутренние дефекты Твердые материалы Это было всесторонне исследовано с использованием передовых методов электронной визуализации. Но для того, чтобы идентифицировать и количественно оценить дефекты в мягких кристаллах, образованных сополимером, Томас и его коллеги использовали новую технику, называемую электронной микроскопией и слайд-шоу. Этот метод позволил исследователям использовать ионный микролучок для разрезания очень тонкого среза мягкого материала, затем использовать электронный луч для изображения поверхности под срезом, а затем снова и снова разрезать изображение. Затем эти слайды были скомпонованы в цифровом формате для 3D-рендеринга.

Для своего анализа они исследовали двухблочный сополимер, состоящий из блока полистирола и блока полиметилсилоксана. На микроскопическом уровне клеточная единица из этого материала демонстрирует пространственный узор так называемой формы «двойной щитовидной железы», который представляет собой сложную циклическую структуру, состоящую из двух переплетающихся молекулярных сетей, одна из которых имеет левое вращение, а другая , правое вращение.

Хотя исследователи активно не искали какой-либо конкретный дефект в материале, передовая технология визуализации выявила поверхностный дефект, называемый двойной границей. По обе стороны от двойного стыка молекулярные сети резко меняют способ обращения с ними.

«Мне нравится называть этот дефект топологическим зеркалом, и это действительно крутой эффект», — сказал Томас. «Когда у вас двойная граница, это похоже на отражение в зеркале, где каждая сетка пересекает границы, сетки сдвигаются, правое становится левым и наоборот».

Исследователь добавил, что последствия наличия двойной связи в периодической структуре, которая сама по себе не содержит какой-либо внутренней зеркальной симметрии, могут привести к новым оптическим и акустическим свойствам, которые открывают новые двери в материаловедении и технологиях.

«В биологии мы знаем, что даже один дефект ДНК или мутация может вызвать заболевание или другое наблюдаемое изменение в организме. В нашем исследовании мы показали единственного близнеца. дефект «В материале с двойной щитовидной железой будущие исследования будут изучать, есть ли что-то особенное в изолированной зеркальной плоскости в структуре, которая в противном случае не имеет зеркальной симметрии», — сказал Томас.