(Phys.org) —I en tidning som just publicerades i Naturmaterial , ett team av forskare som inkluderar William T.M. Irvine, biträdande professor i fysik vid University of Chicago, har lyckats skapa en defekt i strukturen hos en enkellags kristall genom att helt enkelt sätta in en extra partikel, och sedan titta på hur kristallen "läker" sig själv. Tricket med denna självläkande egenskap är att kristallen, en rad mikroskopiska partiklar, måste vara krökt.

Denna effekt, som har viktiga konsekvenser för att förbättra ledningsförmågan hos elektronik och andra materialvetenskapliga områden, förutspåddes för sex år sedan av fysikern Mark Bowick från Syracuse University, tillsammans med David Nelson, Homin Shin och Alex Travesset, inom forskning som stöds av National Science Foundation. NSF finansierade också den nya studien.

För att bevisa sin förutsägelse experimentellt, Bowick sökte Paul M. Chaikin från Center for Soft Matter Research vid New York University. Chaikin tog hjälp av Irvine medan han var postdoktor och arbetade i Chaikins laboratorium.

Alla tre forskarna är specialiserade på den gren av materialvetenskap som kallas "mjuk materia, "som studerar ett brett spektrum av halvfasta ämnen som geler, skum och flytande kristaller.

AV MJUK MATERI OCH SALADKLÄDNING

Bowick beskrev mikroemulsioner av mjuk materia som han arbetar med att likna en majonnäsbaserad ranchdressing.

"Majonnäs är gjord av en blandning av olivolja och vinäger (som i huvudsak är vatten), "förklarade han." Du måste slå ingredienserna länge för att sprida små droppar vinäger i oljan för att göra en emulsion. "Men att hålla så många droppar blandade jämnt i oljan kräver närvaro av ett ytaktivt medel, en stabilisator som är lika glad i både oljan och vattnet.

"I ranchdressing, det ytaktiva ämnet som används är malda senapsfröpartiklar, som ordnar sig vid gränsytan mellan vattnet och oljan, "Sa Bowick." Senapsfröpartiklarna samlas på vattendropparnas yta. "

För att studera krökta kristaller, forskarna efterliknade ranchförband genom att tillsätta mikroskopiska akrylglaspartiklar till en emulsion av glyceroldroppar, blandas i en oljebas.

Som senapsfröet, glaspartiklarna samlas naturligt på ytan av enskilda glyceroldroppar. Beroende på experimentet, någonstans mellan 100 och 10, 000 partiklar täcker varje droppe.

Partiklarnas positiva elektriska laddningar stöter bort varandra, få dem att ordna sig naturligt i ett bikakemönster, med varje partikel lika avlägsen från sex andra.

FÄRGADE KRYSTALER

Det vanliga sexsidiga mönstret passar inte perfekt runt den sfäriska droppen mer än att gåva med en fotboll ger ett perfekt platt pappersöverdrag. Precis som papperet skrynklas när det formas till kulans yta, det krökta kristallmönstret genererar 12 defekter, eller ärr, jämnt fördelat runt sfären.

Antalet och platsen för dessa ärr är en grundläggande strukturell egenskap som föreskrivs av sfärens geometri. Ett liknande mönster kan ses på fotbollens läderomslag, som kräver 12 femsidiga femkantar (defekter) jämnt fördelade inom ett totalt sexsidigt mönster.

Bowick var medlem i teamet som ursprungligen upptäckte denna 12-ärr egenskap av krökta kristaller 2003. Efter det, han undrade vad som skulle hända om de tillsatte en extra partikel, kallas en mellansidesannons, mitt i kristallen.

"Även om partiklarna har självorganiserats till ett kristallmönster, de är fortfarande fria att vifta runt inom den strukturen, "Sade Bowick." Du kan förvänta dig att en extra partikel bara skulle skjuta isär de andra lite och sätta sig på plats, som det skulle på en plan yta. "

Resultatet skulle bli ett defekt mönster som innehåller en yta med sju- och femsidiga former, snarare än de vanliga sexsidiga sexkantarna. Men vad Bowick och kollegor förutspådde med hjälp av datormodeller är att på en böjd yta, en extra partikel tillsatt halvvägs mellan två ärr skulle skapa en defekt i mönstret som delas upp i två delar.

De beräknade att belastningen på den kristallina strukturen orsakad av dessa två defekter skulle "flöda" bort från platsen, som krusningar på en damm, när partiklarna justerar sina avstånd från varandra. Så småningom skulle defekterna migrera till motsatta ärr, där de skulle försvinna.

Otroligt, the scientists predicted that the original particle's mass would remain close to where it was placed, and large areas of the hexagonal pattern would have rotated slightly ­— about 30 degrees. But the original defect would be gone.

To prove this remarkable result experimentally, dock, required a special instrument.

MAKING IT WORK

"William Irvine had already begun his beautiful experiments in my lab on colloidal crystals on curved surfaces, " recalled NYU's Chaikin. "The present study came from a conversation that Mark Bowick and I had on a plane coming back from a meeting several years ago. Mark's experiment was a natural extension of William's work."

"För detta projekt, we had to figure out how to add a particle to the curved crystal, while imaging the particles as they shift around in three-dimensional space, " explained Irvine, who is now at UChicago's James Franck Institute. "This makes the experiment considerably more complicated."

Irvine planned to use optical tweezers to grab a microscopic particle from the surrounding emulsion and place it on the surface of a droplet using radiation pressure from a focused laser beam.

"In most experiments, you come in with the laser 'tweezers' using the same lens as you use for imaging the particle, and that's great, because you want to focus the beam on the same plane where you're looking, " Irvine said.

But for this experiment, the laser tweezers and the microscope had to be separated.

"A confocal microscope selects a very thin slice of the object to be imaged, so that one slice is in focus and the rest of the image (before and after) is out of focus, like a photo of a person with their face in focus and the background blurred, " he explained. "In order to create a full three-dimensional image, you move the objective up and down and bring the different slices into focus one at a time."

But moving the lens also moves the laser beam holding the particle.

"In order to hold onto a particle and watch what happens as you gradually bring it to the surface of the droplet, you have to essentially build a second microscope on top of the first one, " Irvine said. "Technically, that's not trivial—you have to get a lot of things to work at the same time."

But once Irvine had designed and built the instrument, the team tested Bowick's predictions and actually created video images showing the defects moving across the crystal surface and disappearing into the scars.

SELF-HEALING GRAPHENE

"The study of crystals on curved surfaces is interesting and important for systems that range from geodesic domes to viruses to Buckyballs, " said Chaikin, referring to symmetric molecules of carbon. "The defect structure and the 'healing' of defects are particularly important in the conductivity, heat and mechanical properties of carbon nanotubes, graphene and similar materials."

Grafen, a two-dimensional sheet of carbon molecules, is a very strong material and a good conductor of electricity.

"There are always going to be defects that will decrease the conductivity of graphene, " said Bowick. "Ultimately, for electronic devices, you want graphene with high conductivity and as pure as possible."

And that's where the researchers' discovery could prove an ideal solution. "You might be able to simply flex a piece of graphene, remove the defects, and improve the conductivity, " Bowick said.