Polymerforskare vid University of Massachusetts Amherst meddelade nyligen i tidskriften Nature Communications att de har löst ett långvarigt mysterium kring en struktur i nanoskala, bildad av samlingar av molekyler, kallad en dubbelgyroid. Denna form är en av de mest önskvärda för materialforskare och har ett brett användningsområde; men fram till nu har en förutsägbar förståelse av hur dessa former bildas gäckat forskarna.

"Det finns ett vackert samspel mellan ren matematik och materialvetenskap", säger Greg Grason, tidningens senior författare och professor i polymervetenskap och ingenjörsteknik vid UMass Amherst. "Vårt arbete undersöker hur material självmonteras till naturliga former."

Dessa former kan ta många former. De kan vara enkla, som ett lager, cylinder eller sfär. "Lite som tvålfilmer", tillägger Michael Dimitriyev, en postdoktor i polymervetenskap och ingenjörsteknik vid UMass Amherst, och en av tidningens medförfattare. "Det finns en intuitiv förståelse för de former som molekyler, som de i tvål, kan bygga. Vad vi har gjort är att avslöja den dolda geometrin som gör att polymerer kan anta dubbelgyroideformen."

Hur ser en dubbelgyroid ut? Det är inte intuitivt. "De är något mellan ett lager och en cylinder", säger Abhiram Reddy, en postdoktor vid Northwestern som slutförde denna forskning som en del av sin forskarutbildning vid UMass Amherst och tidningens huvudförfattare. Med andra ord, föreställ dig en platt bit fönsterskärm – ett lager – och vrid sedan upp det till ett sadelformat lager som passar in i en kubisk låda på ett sådant sätt att dess yta förblir så liten som möjligt. Det är en gyroid. En dubbel-gyroid är när ett andra material, som också vrids till en gyroid, fyller i luckorna i den första gyroid. Varje gyroidalt material bildar ett nätverk av rör som penetrerar varandra. Tillsammans bildar de ett enormt komplext material som både är symmetriskt på alla sidor, som många kristaller, men ändå genomsyras av labyrintiska kanaler, var och en bildad av olika molekylenheter. Eftersom detta material är en hybrid av två gyroider, kan det konstrueras för att ha motstridiga egenskaper.

Dessa dubbelgyroider finns i naturen och har länge observerats, men hittills har ingen riktigt räknat ut hur kedjemolekyler, kända som blocksampolymerer, vet hur man bildar dubbelgyroider. Reddy och hans medförfattare byggde på en tidigare teoretisk modell och lade till en stor dos termodynamik och ett nytt tillvägagångssätt för att tänka på packningsproblemet – eller hur man bäst fyller en ändlig behållare med material – lånat från beräkningsgeometrin och känd som den mediala Karta. Eftersom sampolymererna behöver sträckas för att ockupera varje del av den självmonterade strukturen, kräver förståelsen av denna formation att man vet hur molekylerna "mäter mitten" av former, som gyroider, som är mycket mer komplexa än sfärer och cylindrar. Teamets uppdaterade teoretiska modell förklarar inte bara den förbryllande bildandet av dubbla gyroider utan lovar också att förstå hur packningsproblemet fungerar i ett mycket bredare spektrum av självmonterade överbyggnader, såsom dubbla diamanter och dubbla primitiver, eller till och med strukturer som har ännu inte upptäckts.

Forskarna planerar sedan att samarbeta med syntetiska kemister för att börja förfina sin teori med experimentella data. Slutmålet är att kunna konstruera en mängd olika material som drar fördel av dubbelgyroidens struktur och som kan hjälpa till att utveckla ett brett utbud av teknologier från laddningsbara batterier till ljusreflekterande beläggningar. + Utforska vidare

Mjuka dubbla gyroider är unika, men ofullkomliga, kristaller