Unerwarteter ‚Black Swan‘-Defekt, der zuerst in weicher Materie entdeckt wurde

In neuen Forschungen haben Wissenschaftler der Texas A & M University zum ersten Mal einen einzelnen mikroskopischen Defekt namens „Zwillinge“ in einem Softblock-Copolymer unter Verwendung einer fortschrittlichen Elektronenmikroskopietechnik entdeckt. Dieser Defekt kann in Zukunft ausgenutzt werden, um Materialien mit neuen akustischen und photonischen Eigenschaften zu schaffen.

„Dieser Defekt ist wie ein schwarzer Schwan – es gibt etwas Besonderes, das nicht typisch ist“, sagte Dr. Edwin Thomas, Professor am Department of Materials Science and Engineering. „Während wir ein bestimmtes Polymer für unsere Studie ausgewählt haben, denke ich, dass der doppelte Defekt in einer Reihe ähnlicher Systeme für weiche Materie, wie Öle, Tenside, ziemlich universell sein wird. biologisches Material und natürliche Polymere. Daher werden unsere Ergebnisse für die vielfältige Forschung zu weicher Materie wertvoll sein. „“

Die Ergebnisse der Studie sind in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften ((PNAS).

Materialien können grob als harte oder weiche Materie klassifiziert werden. Harte Materialien wie Metalllegierungen und Keramiken weisen im Allgemeinen eine sehr regelmäßige und symmetrische Anordnung der Atome auf. Darüber hinaus organisieren sich in der harten Materie geordnete Gruppen von Atomen in sogenannten nanoskopischen Bausteinen Einheitszellen. Normalerweise bestehen diese Einheitszellen aus nur wenigen Atomen und sind übereinander gestapelt, um den periodischen Kristall zu bilden. Weiche Materie kann auch Kristalle bilden, die aus Einheitszellen bestehen, aber jetzt ist das periodische Muster nicht darauf atomare Ebene;; es kommt in viel größerem Maßstab aus Anordnungen großer Moleküle vor.

Insbesondere für ein AB-Diblockcopolymer, eine Art weiche Materie, besteht das periodische Molekülmotiv aus zwei verknüpften Ketten: einer Kette von A-Einheiten und einer Kette von B-Einheiten. Jede Kette, Block genannt, hat Tausende von Einheiten, die miteinander verbunden sind, und ein weicher Kristall wird durch selektive Aggregation der A-Einheiten in Domänen und der B-Einheiten in Domänen gebildet, die im Vergleich zu harter Materie riesige Einheitszellen bilden.

Ein weiterer bemerkenswerter Unterschied zwischen weichen und harten Kristallen besteht darin, dass strukturelle Defekte in harter Materie viel eingehender untersucht wurden. Diese Unvollkommenheiten können an einer einzelnen atomaren Stelle im Material auftreten, die als Punktdefekt bezeichnet wird. Beispielsweise erzeugen Punktdefekte in der periodischen Anordnung von Kohlenstoffatomen in einem Diamanten aufgrund von Stickstoffverunreinigungen den exquisiten „kanarischen“ gelben Diamanten. Zusätzlich können Unvollkommenheiten in Kristallen als Liniendefekt ausgedehnt oder als Oberflächendefekt über eine Fläche verteilt werden.

Im Allgemeinen Defekte im Inneren harte Materialien wurden unter Verwendung fortschrittlicher Elektronenbildgebungstechniken ausgiebig erforscht. Um jedoch Defekte in den weichen Kristallen ihres Blockcopolymers zu lokalisieren und zu identifizieren, verwendeten Thomas und seine Kollegen eine neue Technik namens Slice-and-View-Rasterelektronenmikroskopie. Mit dieser Methode konnten die Forscher mit einem feinen Ionenstrahl eine sehr dünne Scheibe des weichen Materials schneiden, dann mit einem Elektronenstrahl die Oberfläche unter der Scheibe abbilden, dann immer wieder schneiden, neu vorstellen, bringen, immer und immer wieder. Diese Schnitte wurden dann digital übereinander gestapelt, um ein 3D-Rendering zu erhalten.

Für ihre Analyse untersuchten sie ein Diblockcopolymer aus einem Polystyrolblock und einem Polydimethylsiloxanblock. Auf mikroskopischer Ebene weist eine Elementarzelle dieses Materials ein räumliches Muster der sogenannten „Doppelkreisel“ -Form auf, eine komplexe, periodische Struktur, die aus zwei miteinander verflochtenen molekularen Netzwerken besteht, von denen eines eine Linksrotation und das andere eine Linksdrehung aufweist eine rechtshändige Rotation.

Obwohl die Forscher nicht aktiv nach einem bestimmten Defekt im Material suchten, ergab die fortschrittliche Bildgebungstechnik einen Oberflächendefekt, eine sogenannte Zwillingsgrenze. Auf beiden Seiten des Zwillingsknotens änderten die molekularen Netzwerke abrupt ihre Geschicklichkeit.

„Ich nenne diesen Defekt gerne einen topologischen Spiegel, und es ist ein wirklich schöner Effekt“, sagte Thomas. „Wenn Sie eine doppelte Grenze haben, ist es, als würden Sie eine Reflexion in einem Spiegel betrachten, wenn jedes Netzwerk die Grenze überschreitet, die Netzwerke die Hände wechseln, rechts nach links und umgekehrt.“

Der Forscher fügte hinzu, dass die Konsequenzen einer doppelten Grenze in einer periodischen Struktur, die an sich keine Spiegelsymmetrie aufweist, neue optische und akustische Eigenschaften schaffen können, die neue Türen in der Werkstofftechnik und -technologie öffnen.

„In der Biologie wissen wir, dass bereits ein einzelner Defekt in der DNA eine Mutation, eine Krankheit oder eine andere beobachtbare Veränderung eines Organismus verursachen kann. In unserer Studie zeigen wir einzelne Zwillinge. defekt in einem doppelten Gyroid-Material “, sagte Thomas. Zukünftige Forschungen werden untersuchen, ob das Vorhandensein einer isolierten Spiegelebene in einer Struktur, die ansonsten keine Spiegelsymmetrie aufweist, etwas Besonderes ist. „“