Неочакван дефект на „черен лебед“, открит за първи път в меката материя

В ново изследване учените от университета A&M в Тексас разкриват за първи път един микроскопичен дефект, наречен „близнак“ в кополимер с мека маса, използващ усъвършенствана технология за електронна микроскопия. Този дефект може да бъде използван в бъдеще за създаване на материали с нови акустични и фотонни свойства.

„Този ​​дефект е като черен лебед – нещо специално, което се случва и не е типично“, казва д-р Едвин Томас, професор в Катедрата по материалознание и инженерство. „Въпреки че избрахме специфичен полимер за нашето проучване, мисля, че двойният недостатък би бил доста универсален за редица подобни системи от меки материали, като масла и повърхностноактивни вещества, Биологични материали И естествени полимери. Следователно нашите констатации ще бъдат от полза за различни изследвания в областта на меките материали. „

Резултатите от проучването са подробно описани в Известия на Националната академия на науките (PNAS).

Материалите могат да бъдат класифицирани като твърди или меки материали. Твърдите вещества, като метални сплави и керамика, обикновено имат правилно и много симетрично разположение на атомите. Освен това, в твърдо състояние, групи от подредени атоми се подреждат в наноразмерни градивни елементи Единични клетки. Обикновено тези елементарни клетки се състоят от няколко атома и се натрупват заедно, за да образуват периодичния кристал. Меката материя може също да образува кристали, състоящи се от единични клетки, но периодичният модел вече не е равен Атомното ниво; Среща се в много по-голям мащаб от сглобките от големи частици.

По-специално, за AB диблок кополимера, който е вид мек материал, цикличният молекулен възбудител се състои от две свързани вериги: една верига от единици A и една верига от единици B. Всяка верига, наречена блок, съдържа хиляди единици, съединени заедно и кристал Мек чрез селективно сглобяване на A единици в домейни и B единици в домейни, които образуват мега-единични клетки в сравнение с твърди.

Друга забележителна разлика между твърдите и меките кристали е, че структурните дефекти са изследвани по-широко в твърдото вещество. Тези дефекти могат да възникнат на едно атомно място в материала, наречено точков дефект. Например, точкови дефекти в периодичното подреждане на въглеродните атоми в диаманта, дължащи се на азотни примеси, създават брилянтния жълт „канарски“ диамант. В допълнение, кристалните дефекти могат да се удължат като дефект на линията или да се разпространят в дадена област като повърхностен дефект.

До голяма степен дефекти от вътрешната страна Твърди материали Това е широко изследвано с помощта на усъвършенствани техники за електронно изобразяване. Но за да могат да идентифицират и изчислят количествено дефектите в меките кристали, образувани от съполимера, Томас и колеги използваха нова техника, наречена електронна микроскопия и слайдшоута. Този метод позволи на изследователите да използват йонен микро-лъч, за да отрежат много тънък парче мек материал, след това използваха електронен лъч, за да изобразят повърхността под резена, след това отново и отново нарязаха изображението. След това тези слайдове бяха подредени цифрово заедно за 3D рендиране.

За своя анализ те изследваха двублоков съполимер, изработен от полистиролов блок и полиметилсилоксанов блок. На микроскопично ниво клетъчната единица от този материал показва пространствен модел на така наречената форма на „двойна щитовидна жлеза“, която представлява сложна, циклична структура, изградена от две преплитащи се молекулни мрежи, едната с въртене с лява ръка, а другата , въртене с дясна ръка.

Докато изследователите не са търсили активно някакъв конкретен дефект в материала, усъвършенстваната технология за изображения разкрива повърхностен дефект, наречен двойна граница. От двете страни на двойното кръстовище молекулярните мрежи рязко променят начина си на работа.

„Обичам да наричам този дефект топологично огледало и това е наистина страхотен ефект“, каза Томас. „Когато имате двойна граница, това е все едно да гледате отражение в огледало, където всяка решетка преминава границите, решетките се изместват, надясно става наляво и обратно.“

Изследователят добавя, че последиците от двойното свързване в периодична структура, която сама по себе си не съдържа присъща огледална симетрия, може да доведе до нови оптични и акустични свойства, които отварят нови врати в материалното инженерство и технологиите.

„В биологията знаем, че дори един дефект на ДНК или мутация може да причини заболяване или друга видима промяна в организма. В нашето проучване ние показахме един близнак. дефект „В материал с двойна щитовидна жлеза бъдещите изследвания ще изследват дали има нещо специално в изолирана огледална равнина в конструкция, която иначе няма огледална симетрия“, каза Томас.