Det som verkar vara en omöjligt komplicerad labyrint är faktiskt ganska enkelt. Två komplicerade labyrinter, sammanflätade men inte rörande, berätta en annan historia.

Föreställ dig nu dem på nanoskala och gjorda av mjuka kristaller. Materialforskaren Ned Thomas från Rice Universitys Brown School of Engineering har gjort mer än att föreställa sig dem - han och hans labb har gjort och analyserat dem, skiva för nanoskiva.

Thomas och hans team rapporterar in Natur deras karaktärisering av en dubbel gyroidea av mjuk materia. Vad de kortfattat trodde skulle vara en perfekt dubbel gyroid, dess böjda arrangemang av noder och stavar som upprepas i oändlighet, skulle inte vara. De fann istället att deras efterlängtade kubiska konstruktion var full av förvrängningar.

En sköldkörtel är en kristall baserad på trippel periodiska minimala ytor, en geometri som låter dess repeterande form spridas ut i tre dimensioner för alltid (eller åtminstone tills den är begränsad). De finns ibland i naturen; till exempel, gyroider ger fjärilvingar sin iriserande.

Forskare och ingenjörer är intresserade av gyroider på grund av hur de interagerar med både ljus- och ljudvågor, lovande nanoskala material med nya egenskaper. Sköldkörtelns form dikterar hur och även om en våg kommer att passera genom till andra sidan. På det sättet, materialet kan vara osynligt för vissa vågor, eller en reflektor med andra våglängder.

Anmärkningsvärt, den kemiska kombinationen av polydimetylsiloxan (PDMS) och polystyren, initialt löst i en lösning, självmonteras till en dubbel gyroid, med två distinkta PDMS -nätverk som dansar runt varandra utan att någonsin beröra.

En dubbel gyroid kan vara ännu mer avstämbar, eftersom olika material som gör varje nätverk kan påverka signaler på olika sätt. Allt detta är baserat på att enhetscellstrukturen är perfekta kuber.

Tyvärr, de mjuka dubbla gyroiderna som samlas i en blocksampolymer är inte, enligt Thomas, huvudförfattare och postdoktor Xueyan Feng och deras kollegor.

"Vi kallar gyroidnätverken röda och blå, men de är faktiskt samma kemiska förening, PDMS, sa Thomas, plocka upp 3D-modeller av nanoskala strukturer. "Grejen mellan dem är styren, och det finns mer styren än rött och blått."

Om den grundläggande upprepningen av 3D-mönstret inbäddat i varje gyroid var en perfekt kub, det skulle ha gjort att materialet motsvarade nr 230, den sista möjliga strukturen på den hundraåriga listan över rymdgrupper som kategoriserar alla möjliga 3D-konfigurationer av material, han sa.

"Mineraloger och matematiker skapade den här listan när de blev intresserade av, till exempel, varför kvartskristaller har den symmetri de gör och räknade ut alla de rumsliga arrangemangen för symmetrielement:translation, rotation, reflexion, inversion, roto-inversion, rotorreflektion, skruva och glida, ", sade Thomas. "Det finns bara 230 sätt att sätta ihop dessa på självständiga sätt.

"Och min grupp var den första att hitta nr 230 i segmentsampolymerer 1994, men det visar sig att det faktiskt inte är exakt kubiskt när det bildas – och ingen visste det förrän nu, " han sa.

Med hjälp av Rice Electron Microscopy Center, forskarna anpassade ett elektronmikroskop för att alternativt avbilda och sedan använda en jonstråle för att försiktigt ta bort en 3-nanometer skiva från ett dubbelgyroidblock. De gjorde detta hundratals gånger över ett mycket stort område, gör det möjligt att rekonstruera en stor volym av den dubbla gyroidstrukturen i hög upplösning.

Det avslöjade spannmålsgränser genom hela strukturen, bildades när den dubbla gyroiden bildades på olika ställen i lösning och kom ihop ur linje, framtvingar oöverensstämmelse vid nätverkskorsningar. De fann att den faktiska enhetscellen inte var den högsta möjliga symmetrin (kubisk), men var den lägsta:en triklinisk cell som, medan den är konstant inom ett givet spannmål, varierade från korn till korn genom hela strukturen. Det ledde till det övergripande utseendet av "en genomsnittlig kubik, sa Thomas, medan i verkligheten, symmetrin var signifikant förvrängd från kubisk.

"Startpolymerlösningen folk använder för att tillverka dessa material är mestadels lösningsmedel, och när det avdunstar och strukturen börjar bildas, det övergripande systemet krymper, " sa han. "Om den krymper jämnt åt alla håll, det vore okej, men det gör det inte. Olika korn och olika inriktningar pressas av krympkrafter, så det borde inte vara en överraskning att få snedvridningar. "

Det betyder att enhetscellerna bryter symmetri när blockpolymermolekylerna drar åt det här hållet och att för att nå sina minimala energibindande tillstånd, sa Thomas.

"Summen är att om du planerar att använda dessa som kubiska fotoniska och fononiska kristaller med bandgap, som alla är beräknade utifrån en perfekt kubisk struktur i en perfekt, oändlig, kubiskt galler, du har en annan sak på gång, " sa han. "Du kan inte göra det experimentellt om du inte kommer på några nya tillväxttekniker."

Ändå, rislabbet arbetar mot kubiska skapelser, sa Feng. "Att stänga av gravitationen skulle hjälpa, eller gör dem i rymden, " sa han. Men utan dessa alternativ, forskarna letar efter en teknik för att förånga lösningen i alla riktningar för att lindra riktningsspänningar på materialet.

"Naturen vet inte om kiralitet eller matematik eller rymdgrupper, ", sa Thomas. "Men det är fascinerande att dessa molekyler är smarta nog att göra det."