All materia består av en eller flera faser – regioner av rymden med enhetlig struktur och fysiska egenskaper. De vanligaste faserna av H2O (fast, vätska och gas), även känd som is, vatten och ånga, är välkända. Liknande, även om det är mindre bekant, kanske, polymera material kan också bilda olika fasta eller flytande faser som bestämmer deras egenskaper och slutgiltiga användbarhet. Detta gäller särskilt blocksampolymerer, de självsammansättande makromolekylerna som skapas när en polymerkedja av en typ ("Block A") är kemiskt förbunden med den av en annan typ ("Block B").

"Om du vill ha en blocksampolymer som har en viss egenskap, du väljer rätt fas för en viss intresseanmälan, " förklarade Chris Bates, en biträdande professor i material vid UC Santa Barbara College of Engineering. "För gummit i skorna, du vill ha en fas; att göra ett membran, du vill ha en annan."

Endast omkring fem faser har upptäckts i de enklaste segmentsampolymererna. Att hitta en ny fas är sällsynt, men Bates och ett team av andra UC Santa Barbara-forskare inklusive professorerna Glenn Fredrickson (kemiteknik) och Craig Hawker (material), Morgan Bates, personalforskare och biträdande teknikchef vid Dow Materials Institute vid UCSB, och postdoktor Joshua Lequieu, har gjort just det.

Deras resultat publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences .

För cirka 12 månader sedan, Morgan Bates gjorde en del experimentellt arbete på polymerer som hon hade syntetiserat i labbet, i ett försök, Hon sa, "för att förstå de grundläggande parametrarna som styr självmontering av blocksampolymerer genom att undersöka vad som händer när du justerar blockkemin."

Det finns oändliga möjligheter för kemin i "A" och "B" block, enligt Chris Bates. "Modern syntetisk kemi tillåter oss att välja i princip vilken typ av A-polymer som helst och koppla ihop den med ett annat B-block, " sa han. "Med tanke på detta stora designutrymme, den verkliga utmaningen är att ta reda på de mest avgörande rattarna för att vrida den självmonterande kontrollen."

Morgan Bates försökte förstå sambandet mellan kemi och struktur.

"Jag hade kemiskt justerat en parameter relaterad till vad som kallas "konformationsasymmetri, ' som beskriver hur de två blocken fyller utrymme, " hon mindes processen som ledde till upptäckten. "Vi försökte inte nödvändigtvis hitta en ny fas utan trodde att vi kanske skulle avslöja något nytt beteende. I detta fall, A- och B-blocken som är kovalent bundna tillsammans fyller utrymmet väldigt olika, och det verkar vara den underliggande parametern som ger upphov till någon unik självmontering."

Efter att ha skapat blocksampolymererna, hon tog dem till Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory, i Illinois, där en teknik som kallas "småvinklar röntgenspridning" användes för att karakterisera dem. Processen ger en tvådimensionell signatur av spridda röntgenstrålar arrangerade i koncentriska ringar. Ringarnas relativa placering och intensitet indikerar en viss fas. Morgan behövde resa till ett nationellt labb, eftersom processen kräver mer kraftfulla röntgenstrålar än vad som kan produceras på campus.

Efter det arbetet, sa Chris Bates, "Med hjälp av kunskap om kristallografi, du kan tolka spridningsdata och skapa en bild som om du tittade på strukturen med ditt öga. Och i det här fallet, data var av så hög kvalitet att vi kunde göra det otvetydigt."

Morgan Bates kom ihåg att när hon undersökte röntgenmönstret, en sak var omisskännligt tydlig:"Det såg annorlunda ut. Jag tänkte, 'Vad är det där?'"

Det var, självklart, deras nyupptäckta fas, känd som A15. "Med dessa typer av AB-blocksampolymerer, det finns bara en handfull faser som människor har observerat tidigare, och vi har hittat en till, som lägger till paletten av möjliga alternativ ur designsynpunkt, " sa Chris.

"Bland sätten att kategorisera strukturer, denna fas tillhör en klass som kallas "tetraedriskt tätpackad", " lade Lequieu till, en expert på datorsimuleringar som modellerade fasbeteendet hos polymerer. "Fasen vi har hittat i blocksampolymerer observerades faktiskt först 1931 med en allotrop [eller form] av volfram. Men i så fall, A15 bildas från metallatomer, som skapar en mycket liten struktur på atomlängdskalan. Våra blocksampolymerer antar samma struktur men i en längdskala två storleksordningar större, och, självklart, inga metallatomer är inblandade.

"Om du skulle titta på båda med ett mikroskop, " han fortsatte, "Deras strukturer skulle se likadana ut, men bara i olika storlekar. Det är fascinerande att naturen väljer att använda samma strukturella motiv för helt olika material med helt orelaterade kemi och fysik."

Projektet visar hur lätt det är och benägenhet för, samarbete mellan UC Santa Barbara-forskare. Det började med ny kemi utvecklad av Hawker och Bates för att justera egenskaperna hos material, som följdes av Morgans oväntade karaktäriseringsresultat. "Därifrån, vi gick till Josh och sa till honom att det var något konstigt i experimenten som vi inte förväntade oss och frågade honom varför, " sa Chris Bates. Lequieu arbetade sedan med Fredrickson för att utveckla datorsimuleringarna.

"Det var riktigt trevligt fram och tillbaka på det här projektet, " sa Lequieu. "Ett experiment gjordes som var utmanande att förstå, så vi gjorde simuleringar för att förklara det. Morgan gjorde sedan fler experiment, informeras av resultaten av de första simuleringarna, och observerade att beräkningarna faktiskt var prediktiva. Faserna som observerades experimentellt dök upp precis där simuleringarna sa att de skulle göra det. På några ställen, men experimenten och simuleringarna var inte överens, så vi itererade flera gånger för att förbättra modellerna och verkligen förstå finesserna som är involverade."

"Går vidare, " lade Chris Bates till, "vårt team fortsätter att integrera materialsyntes och teori i sökandet efter mer unikt fasbeteende."

Lequieu beskrev återkopplingsslingan från experiment till simulering till teori och tillbaka som "en sorts drömmen om modern materialvetenskap. Det krävs mycket arbete för Morgan att göra dessa prover. Det är mycket lättare om någon förutsäger resultat på en dator och kan säga, "Här är en undergrupp av polymerer att syntetisera som ska bilda den önskade strukturen." Denna så kallade "omvända design"-metod sparar henne mycket tid och ansträngning."

När det gäller naturen faller tillbaka på föredragna design för annars orelaterade material, lite historia är värt att notera. 1887, Lord Kelvin – han av de eponyma enheterna för absolut temperatur – arbetade på vad som senare kom att kallas "Kelvin-problemet". Det var ett försök att bestämma hur rymden kunde delas upp i celler med lika volym med minsta yta mellan dem. Hans föreslagna lösning, som indikerade det mest effektiva bubbelskummet, blev känd som "Kelvin-strukturen".

Det höll i ungefär hundra år, men 1994 visade sig vara felaktig. Kelvin hade valt vad som kunde kallas "Struktur A, " men ett team av brittiska forskare visade att "Struktur B" var ännu bättre. Sedan dess, Struktur B har vunnit berömmelse i vetenskapliga kretsar och till och med långt bortom, dyker upp, till exempel, i form av gigantiska bubblor som fungerar som både funktionella arkitektoniska element och designelement på taket av Beijing National Aquatics Centre byggt för OS 2008.

Det visar sig att den nya fasen som upptäckts av forskarna i detta projekt, A15, är struktur B, bekräftar än en gång att naturen gillar en tidigare framgångsrik design.