V mäkkom materiáli sa prvýkrát vyskytla neočakávaná chyba „Čiernej labute“

V novom výskume vedci z univerzity Texas A&M po prvý raz odhalili jediný mikroskopický defekt nazývaný „dvojča“ v kopolyméri s mäkkým blokom pomocou pokrokovej techniky elektrónovej mikroskopie. Túto vadu možno v budúcnosti využiť na vytvorenie materiálov s novými akustickými a fotonickými vlastnosťami.

„Táto chyba je ako čierna labuť – niečo zvláštne, čo sa deje, nie je normálne,“ uviedol doktor Edwin Thomas, profesor na katedre materiálovej vedy a techniky. „Aj keď sme pre našu štúdiu vybrali určitý polymér, myslím si, že dvojitá chyba by bola dosť univerzálna v skupine podobných systémov mäkkých látok, ako sú oleje, povrchovo aktívne látky, Organický materiál A prírodné polyméry. Naše zistenia budú preto cenné pre rôznorodý výskum v oblasti mäkkých látok. ““

Výsledky štúdie sú podrobné Zborník Národnej akadémie vied (PNAS)

Materiál možno všeobecne klasifikovať ako tvrdý alebo mäkký materiál. Pevné materiály, ako sú kovové zliatiny a keramika, majú spravidla veľmi pravidelné a symetrické usporiadanie atómov. V tuhej hmote sa usporiadané skupiny atómov usporiadajú do nanoskopických stavebných blokov tzv jednotková bunka. Spravidla majú tieto jednotkové bunky iba niekoľko atómov a sú spojené tak, že vytvárajú periodické kryštály. Mäkké materiály môžu tiež tvoriť kryštály pozostávajúce z jednotkových buniek, ale už nemajú pravidelný vzor. Atómová úroveň; Vyskytuje sa v oveľa väčšom meradle kombináciou väčších molekúl.

Najmä pre ab dibl kopolymér, typ mäkkej hmoty, má periodický molekulárny motív dva spojené reťazce: sériu jednotiek a sériu b jednotiek. Každý reťazec nazývaný blok sa skladá z tisícov jednotiek spojených dohromady a v doméne jednotiek A a selektívnou agregáciou jednotiek B vytvára mäkký kryštál z väčších jednotkových buniek ako tuhá hmota.

Ďalším pozoruhodným rozdielom medzi mäkkými a tvrdými kryštálmi je, že štrukturálne chyby tvrdej hmoty boli študované rozsiahlejšie. Tieto nedokonalosti sa môžu vyskytnúť na jednom atómovom mieste v materiáli, ktoré sa nazýva bodová chyba. Napríklad bodové chyby v pravidelnom usporiadaní atómov uhlíka v diamantoch v dôsledku dusíkatých nečistôt vytvárajú dokonalý „kanárikovský“ žltý diamant. Okrem toho môžu byť nedokonalosti v kryštáli rozšírené ako líniový defekt alebo sa môžu rozšíriť po určitej oblasti ako povrchový defekt.

Všeobecne povedané, chyby vo vnútri Tvrdý materiál Bolo to rozsiahlo skúmané pomocou pokročilých techník zobrazovania elektrónov. Aby však bolo možné zistiť a identifikovať chyby v ich mäkkých kryštáloch blokového kopolyméru, Thomas a jeho kolegovia použili novú techniku ​​nazvanú rastrovacia elektrónová mikroskopia slice-and-view. Táto metóda umožnila výskumníkom použiť jemný iónový lúč na orezanie veľmi tenkého kúska mäkkého materiálu, potom pomocou elektrónového lúča zobrazili povrch pod rezom, potom tento rez opäť opakovane. Tieto plátky boli potom digitálne spojené dohromady, aby sa získalo 3D zobrazenie.

Pre svoju analýzu skúmali diblokový kopolymér vyrobený z polystyrénového bloku a polydimetylsiloxánového bloku. Na mikroskopickej úrovni vykazuje jednotková bunka tohto materiálu priestorový vzor takzvaného tvaru „dvojitého gyroidu“, komplexnú periodickú štruktúru pozostávajúcu z dvoch vzájomne prepojených molekulárnych sietí, z ktorých jedna má ľavotočivú rotáciu a druhá, jednu Otočenie pravej ruky.

Zatiaľ čo vedci aktívne nehľadali konkrétnu chybu materiálu, pokroková zobrazovacia technológia odhalila povrchovú chybu, ktorá sa nazýva dvojitá hranica. Na oboch stranách dvojčiat molekulárna sieť náhle zmenila ich harmóniu.

„Rád túto vadu nazývam topologické zrkadlo a je to skutočne čistý efekt,“ uviedol Thomas. „Keď máte hranicu dvojčiat, je to ako pozerať sa na odraz v zrkadle, pretože každá sieť prekračuje túto hranicu, prepína šikovnosť, otáča sa doprava a naopak.“

Vedec uviedol, že dôsledky toho, že dvojitá hranica v periodickej štruktúre, ktorá sama o sebe nemá vrodenú zrkadlovú symetriu, môže vyvolať nové optické a akustické vlastnosti, ktoré otvárajú nové dvere v materiálovom inžinierstve a technológii.

„V biológii vieme, že jeden defekt v DNA, mutácia, môže spôsobiť ochorenie alebo inú pozorovateľnú zmenu v organizme. V našej štúdii ukazujeme jedno dvojča Chyba V materiáli s dvojitým gyroidom, „povedal Thomas.“ Budúci výskum bude skúmať, či je niečo zvláštne v prítomnosti izolovanej zrkadlovej roviny v štruktúre, ktorá inak nemá zrkadlovú symetriu. “