En una nueva investigación, los científicos de la Universidad Texas A&M han revelado por primera vez un único defecto microscópico llamado «gemelo» en un copolímero de bloque blando utilizando una técnica avanzada de microscopía electrónica. Este defecto podría aprovecharse en el futuro para crear materiales con nuevas propiedades acústicas y fotónicas.

«Este defecto es como un cisne negro, algo especial que no es típico», dijo el Dr. Edwin Thomas, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. “Aunque elegimos un determinado polímero para nuestro estudio, creo que el doble defecto será bastante universal en un montón de sistemas similares de materia blanda, como aceites, tensioactivos, material biológico y polímeros naturales. Por lo tanto, nuestros resultados serán valiosos para diversas investigaciones en el campo de la materia blanda. «

Los resultados del estudio se detallan en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

Los materiales se pueden clasificar en términos generales como duros o blandos. Los materiales duros, como las aleaciones metálicas y las cerámicas, generalmente tienen una disposición de átomos muy regular y simétrica. Además, en la materia dura, los grupos de átomos ordenados se organizan en bloques de construcción nanoscópicos, llamados celdas unitarias. Por lo general, estas celdas unitarias constan de solo unos pocos átomos y se apilan para formar el cristal periódico. La materia blanda también puede formar cristales compuestos de células unitarias, pero ahora el patrón periódico no está en el nivel atómico; ocurre en una escala mucho mayor a partir de conjuntos de moléculas grandes.

En particular, para un copolímero dibloque AB, un tipo de material blando, la unidad molecular periódica comprende dos cadenas enlazadas: una cadena de unidades A y una cadena de unidades B. Cada cadena, llamada bloque, tiene miles de unidades enlazadas. ellos y un cristal blando se forma por agregación selectiva de unidades A en dominios y unidades B en dominios que forman enormes células unitarias en comparación con la materia dura.

Otra diferencia notable entre los cristales duros y blandos es que los defectos estructurales se han estudiado mucho más en la materia dura. Estas imperfecciones pueden ocurrir en una sola ubicación atómica en el material, llamado defecto puntual. Por ejemplo, los defectos puntuales en la disposición periódica de los átomos de carbono en un diamante debido a las impurezas de nitrógeno crean el exquisito diamante amarillo «canario». Además, las imperfecciones de los cristales pueden alargarse como un defecto de línea o extenderse sobre un área como un defecto de superficie.

En general, los defectos en el interior materiales duros se han estudiado extensamente utilizando técnicas avanzadas de imágenes electrónicas. Pero para poder localizar e identificar defectos en sus cristales de copolímero de bloque blando, Thomas y sus colegas utilizaron una nueva técnica llamada microscopía electrónica de barrido de obleas y vistas. Cette méthode a permis aux chercheurs d’utiliser un faisceau d’ions fin pour découper une très fine tranche du matériau souple, puis ils ont utilisé un faisceau d’électrons pour imager la surface sous la tranche, puis trancher à nouveau, image à nouveau , una y otra vez. Luego, estos cortes se apilaron digitalmente para obtener una vista en 3D.

Para su análisis, estudiaron un copolímero dibloque que consta de un bloque de poliestireno y un bloque de polidimetilsiloxano. A nivel microscópico, una celda elemental de este material presenta un patrón espacial de la denominada forma de “doble giroide”, una estructura compleja y periódica formada por dos redes moleculares entrelazadas, una de las cuales tiene rotación a la izquierda y la otra, una rotación a la derecha.

Si bien los investigadores no buscaban activamente un defecto en particular en el material, la técnica de imagen avanzada descubrió un defecto en la superficie, conocido como borde gemelo. A ambos lados de la unión gemela, las redes moleculares transformaron abruptamente su sentido de la mano.

«Me gusta llamar a este defecto un espejo topológico, y es un efecto realmente agradable», dijo Thomas. «Cuando tienes un borde gemelo, es como mirar un reflejo en un espejo, ya que cada celosía cruza el borde, los celosías cambian de manos, la derecha se convierte en izquierda y viceversa».

El investigador agregó que las consecuencias de tener un borde doble en una estructura periódica que per se no tiene simetría especular inherente podría inducir nuevas propiedades ópticas y acústicas que abren nuevas puertas en la ingeniería y tecnología de materiales.

“En biología, sabemos que incluso un solo defecto del ADN, una mutación, puede causar una enfermedad u otro cambio observable en un organismo. En nuestro estudio, mostramos un solo gemelo defecto en un material de doble giroide «, dijo Thomas». La investigación futura explorará para ver si hay algo especial en la presencia de un plano de espejo aislado en una estructura, que de otra manera no tiene simetría de espejo. »