Defecto inesperado de «cisne negro» descubierto por primera vez en materia blanda

En un nuevo estudio, los científicos de la Universidad Texas A&M utilizaron tecnología avanzada de microscopía electrónica para descubrir por primera vez un único defecto microscópico llamado «gemelo» de los copolímeros de bloque blando. Este defecto podría aprovecharse en el futuro para crear materiales con nuevas propiedades acústicas y fotónicas.

“Este defecto es como un cisne negro. Esto es algo inusual y especial ”, dijo el Dr. Edwin Thomas de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales. “Seleccionamos polímeros específicos para nuestra investigación, pero los defectos de cristales gemelos son bastante universales en un conjunto de sistemas similares de materia blanda, como aceites, surfactantes, biomateriales y polímeros naturales. Por tanto, creo que nuestros resultados son valiosos para diversas investigaciones en el campo de la materia blanda. «

Los resultados del estudio son Actas de la Academia Nacional de Ciencias (((PNAS).

Los materiales se pueden dividir aproximadamente en material duro y material blando. Los materiales duros como las aleaciones metálicas y las cerámicas generalmente tienen una disposición atómica muy regular y simétrica. Además, en un problema difícil, los grupos ordenados de átomos se colocan en bloques de construcción a nanoescala llamados celdas unitarias. Normalmente, estas celdas unitarias constan de solo unos pocos átomos y se apilan para formar cristales periódicos. La materia blanda también puede formar cristales de células unitarias, pero el modelo periódico no está a nivel atómico. Emana a una escala mucho mayor de un conjunto de moléculas grandes.

En particular, en el caso del copolímero de dibloques AB, que es un tipo de material blando, la unidad molecular periódica consta de dos cadenas unidas, una unidad de cadena A y una unidad de cadena B. Miles de unidades están unidas a cada cadena llamada bloque. , y los cristales blandos se forman agregando selectivamente una unidad A en un dominio y una unidad B en un dominio, que es una unidad enorme en comparación con una sustancia dura. Forma una celda.

Otra diferencia notable entre los cristales duros y blandos es que los defectos estructurales se han estudiado mucho más extensamente en la materia dura. Estos defectos pueden ocurrir en una sola posición atómica en el material, llamados defectos puntuales. Por ejemplo, los defectos puntuales en la colocación periódica de los átomos de carbono del diamante debido a las impurezas de nitrógeno crean un exquisito diamante amarillo «canario». Además, los defectos de cristal se pueden estirar como defectos de línea o distribuirse por toda la región como defectos de superficie.

En general, los defectos de materiales duros se han investigado exhaustivamente utilizando técnicas avanzadas de imágenes electrónicas. Sin embargo, para ayudar a encontrar e identificar defectos en los cristales blandos de los copolímeros de bloque, Thomas y sus colegas utilizaron una nueva técnica llamada microscopía electrónica de barrido de corte y vista. De esta manera, los investigadores usan un haz de iones delgado para cortar rodajas muy delgadas de material flexible, luego usan un haz de electrones para obtener imágenes de la superficie subyacente de la oblea, luego lo cortan y varias veces. Podía imaginarlo de nuevo. Luego apilamos digitalmente estos cortes para obtener una vista 3D.

Para su análisis, estudiaron copolímeros dibloque compuestos por bloques de poliestireno y bloques de polidimetilsiloxano. A nivel microscópico, las celdas unitarias de este material exhiben un patrón espacial en forma de «doble giroide». Es una estructura periódica compleja formada por dos redes moleculares entrelazadas, una que gira en sentido antihorario y la otra en sentido antihorario. Rotación a la derecha.

Los investigadores no buscaban activamente defectos específicos en el material, pero las técnicas de imagen avanzadas revelaron defectos superficiales llamados límites gemelos. A ambos lados de la unión gemela, la red molecular cambió repentinamente su mano dominante.

«Me gusta llamar a este defecto un espejo de topología, y es un efecto realmente agradable», dijo Thomas. “Si hay un borde doble, es como mirar el reflejo en el espejo. Cuando cada red cruza la frontera, la red cambia de mano dominante, la derecha es la izquierda y viceversa. «

Los investigadores han descubierto que el resultado de tener límites gemelos en una estructura periódica que no tiene su propia simetría de espejo podría inducir nuevas propiedades ópticas y acústicas que abren nuevas puertas para la ingeniería y la tecnología de materiales. Agregué que los hay.

“En biología, sabemos que incluso un solo defecto, una mutación del ADN, puede causar enfermedades y otros cambios observables en un organismo. En nuestro estudio, es el doble. Muestra un solo defecto gemelo en el material de la giroides ”, dijo Thomas. «La investigación futura determinará si hay algo especial en la existencia de espejos aislados en la estructura, de lo contrario no hay simetría de espejo».

Para más información:
Xueyan Feng et al, Visualización de gemelos de doble giroide, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2021). DOI: 10.1073 / pnas.2018977118