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

Cristal

Crédito: CC0 Public Domain

En una nueva investigación, los científicos de la Universidad de Texas A&M revelan por primera vez un único defecto microscópico llamado «gemelo» en un copolímero de masa blanda utilizando tecnología avanzada de microscopía electrónica. Este defecto puede aprovecharse en el futuro para crear materiales con nuevas propiedades acústicas y fotónicas.


«Este defecto es como un cisne negro, algo especial que sucede y no es típico», dijo el Dr. Edwin Thomas, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. « Aunque seleccionamos un polímero específico para nuestro estudio, creo que la doble desventaja sería bastante universal en una gama de sistemas similares de materiales blandos, como aceites y tensioactivos. Materiales biologicos Y polímeros naturales. Por lo tanto, nuestros hallazgos serán valiosos para diversas investigaciones en el campo de los materiales blandos «.

Los resultados del estudio se detallan en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

Los materiales se pueden clasificar en términos generales como materiales duros o blandos. Los sólidos, como las aleaciones metálicas y las cerámicas, generalmente tienen una disposición de átomos regular y muy simétrica. Además, en un sólido, los grupos de átomos ordenados se organizan en bloques de construcción a nanoescala. Celdas unitarias. Normalmente, estas células unitarias constan de unos pocos átomos y se acumulan para formar el cristal periódico. La materia blanda también puede formar cristales que consisten en celdas unitarias, pero el patrón periódico ahora no está nivelado El nivel atómico; Ocurre a una escala mucho mayor que los conjuntos de partículas grandes.

En particular, para el copolímero dibloque AB, que es un tipo de material blando, el excitador molecular cíclico consta de dos cadenas unidas: una cadena de unidades A y una cadena de unidades B. Cada cadena, llamada bloque, contiene miles de unidades unidas. juntos y un cristal blando por ensamblaje selectivo de unidades A en dominios y unidades B en dominios que forman células megaunitarias en comparación con las sólidas.

Otra diferencia notable entre cristales duros y blandos es que los defectos estructurales se han estudiado más ampliamente en el sólido. Estos defectos pueden ocurrir en un solo lugar atómico dentro del material, llamado defecto puntual. Por ejemplo, los defectos puntuales en la disposición periódica de los átomos de carbono en un diamante debido a las impurezas de nitrógeno crean el diamante «canario» amarillo brillante. Además, los defectos de los cristales pueden alargarse como un defecto de línea o extenderse por un área como un defecto de superficie.

En gran medida, las imperfecciones están en el interior. Materiales sólidos Esto se ha investigado extensamente utilizando técnicas avanzadas de imágenes electrónicas. Pero para poder identificar y cuantificar defectos en los cristales blandos formados por el copolímero, Thomas y sus colegas utilizaron una nueva técnica llamada microscopía electrónica y presentaciones de diapositivas. Este método permitió a los investigadores usar un microhaz iónico para cortar una rebanada muy delgada del material blando, luego usaron un haz de electrones para obtener una imagen de la superficie debajo de la rebanada y luego cortaron la imagen una y otra vez. Luego, estas diapositivas se apilaron digitalmente para obtener una representación 3D.

Para su análisis, examinaron un copolímero de dos bloques hecho de un bloque de poliestireno y un bloque de polimetilsiloxano. A nivel microscópico, la unidad celular de este material muestra un patrón espacial de la llamada forma de ‘doble tiroides’, que es una estructura cíclica compleja formada por dos redes moleculares entrelazadas, una con rotación a la izquierda y la otra , rotación a la derecha.

Si bien los investigadores no buscaban activamente ningún defecto en particular en el material, la tecnología avanzada de imágenes reveló un defecto en la superficie llamado doble límite. A ambos lados de la doble unión, las redes moleculares cambian abruptamente la forma en que están a mano.

«Me gusta llamar a este defecto un espejo topológico, y es un efecto realmente genial», dijo Thomas. «Cuando tienes un borde doble, es como mirar un reflejo en un espejo, donde cada cuadrícula cruza los límites, las cuadrículas se desplazan, la derecha se convierte en izquierda y viceversa».

El investigador agregó que las consecuencias de tener un doble límite en una estructura periódica que en sí misma no contiene ninguna simetría especular inherente pueden conducir a nuevas propiedades ópticas y acústicas que abren nuevas puertas en la ingeniería y tecnología de materiales.

«En biología, sabemos que incluso un solo defecto de ADN, o mutación, puede causar una enfermedad u otro cambio observable en un organismo. En nuestro estudio, mostramos un solo gemelo». defecto «En un material de doble tiroides, la investigación futura explorará si hay algo especial en un plano de espejo aislado en una estructura que de otra manera no tiene simetría de espejo», dijo Thomas.


La naturaleza conductora se revela en las estructuras cristalinas con un aumento de 10 millones de veces.


más información:
Xueyan Feng et al, Visualización de una glándula tiroides gemela, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2021). DOI: 10.1073 / pnas.2018977118

Introducción de
Universidad Texas A & M

La frase: Defecto inesperado de « cisne negro » en materia blanda descubierto por primera vez (2021, 19 de mayo) Recuperado el 19 de mayo de 2022 de https://phys.org/news/2021-05-unuable-black-swan-defect -soft. html

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