I ny forskning, Forskare från Texas A&M University har för första gången avslöjat en enda mikroskopisk defekt som kallas en "tvilling" i en mjukblocksampolymer med hjälp av en avancerad elektronmikroskopiteknik. Denna defekt kan komma att utnyttjas i framtiden för att skapa material med nya akustiska och fotoniska egenskaper.

"Denna defekt är som en svart svan - något speciellt pågår som inte är typiskt, " sa Dr Edwin Thomas, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik. "Även om vi valde en viss polymer för vår studie, Jag tror att tvillingfelet kommer att vara ganska universellt för ett gäng liknande mjukämnesystem, som oljor, ytaktiva ämnen, biologiska material och naturliga polymerer. Därför, våra resultat kommer att vara värdefulla för mångsidig forskning inom området mjuk materia."

Resultaten av studien är detaljerade i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ).

Material kan grovt klassificeras som hårt eller mjukt material. Hårda material, som metalllegeringar och keramik, har i allmänhet ett mycket regelbundet och symmetriskt arrangemang av atomer. Ytterligare, i hård materia, ordnade grupper av atomer ordnar sig i nanoskopiska byggstenar, kallas enhetsceller. Vanligtvis, dessa enhetsceller består av endast ett fåtal atomer och staplas ihop för att bilda den periodiska kristallen. Mjuk materia kan också bilda kristaller som består av enhetsceller, men nu är det periodiska mönstret inte på atomnivå; det förekommer i mycket större skala från sammansättningar av stora molekyler.

Särskilt, för en A-B disegmentsampolymer, en typ av mjuk materia, det periodiska molekylära motivet består av två länkade kedjor:En kedja av A-enheter och en kedja av B-enheter. Varje kedja, kallas ett block, har tusentals enheter sammanlänkade och en mjuk kristall bildas genom selektiv aggregering av A-enheterna till domäner och B-enheter till domäner som bildar enorma enhetsceller jämfört med hård materia.

En annan anmärkningsvärd skillnad mellan mjuka och hårda kristaller är att strukturella defekter har studerats mycket mer omfattande i hård materia. Dessa brister kan uppstå på en enda atomplats inom material, kallas en punktdefekt. Till exempel, punktdefekter i det periodiska arrangemanget av kolatomer i en diamant på grund av kväveföroreningar skapar den utsökta "kanariefågel" gula diamanten. Dessutom, imperfektioner i kristaller kan förlängas som en linjedefekt eller spridas över ett område som en ytdefekt.

I stort sett, defekter i hårda material har undersökts omfattande med hjälp av avancerad elektronavbildningsteknik. Men för att kunna lokalisera och identifiera defekter i deras mjuka kristaller av blocksampolymer, Thomas och hans kollegor använde en ny teknik som kallas slice-and-view scanning elektronmikroskopi. Denna metod gjorde det möjligt för forskarna att använda en fin jonstråle för att trimma bort en mycket tunn skiva av det mjuka materialet, sedan använde de en elektronstråle för att avbilda ytan under skivan, skiva sedan igen, bild igen, om och om. Dessa skivor staplades sedan digitalt tillsammans för att få en 3D-vy.

För deras analys, de undersökte en disegmentsampolymer gjord av ett polystyrensegment och ett polydimetylsiloxansegment. På mikroskopisk nivå, en enhetscell av detta material uppvisar ett rumsligt mönster av den så kallade "dubbel gyroid"-formen, ett komplex, periodisk struktur bestående av två sammanflätade molekylära nätverk varav det ena har en vänstervridning och det andra, en högerhänt rotation.

Medan forskarna inte aktivt letade efter någon speciell defekt i materialet, den avancerade bildtekniken avslöjade en ytdefekt, kallas tvillinggräns. På vardera sidan av tvillingövergången, molekylära nätverk förvandlade abrupt sin handenhet.

"Jag gillar att kalla denna defekt för en topologisk spegel, och det är en riktigt snygg effekt, sade Thomas. När du har en tvillinggräns, det är som att titta på en reflektion i en spegel, när varje nätverk korsar gränsen, nätverken byter handenhet, höger blir vänster och vice versa."

Forskaren tillade att konsekvenserna av att ha en tvillinggräns i en periodisk struktur som inte i sig själv har någon inneboende spegelsymmetri kan inducera nya optiska och akustiska egenskaper som öppnar nya dörrar inom materialteknik och teknik.

"Inom biologin, vi vet att även en enda defekt i DNA, en mutation, kan orsaka en sjukdom eller någon annan observerbar förändring i en organism. I vår studie, vi visar en enkel tvillingdefekt i ett dubbelt gyroidmaterial, ", sa Thomas. "Framtida forskning kommer att undersöka om det är något speciellt med närvaron av ett isolerat spegelplan i en struktur, som annars inte har någon spegelsymmetri."