Toda la materia consta de una o más fases:regiones del espacio con estructura y propiedades físicas uniformes. Las fases comunes de H2O (sólido, líquido y gas), también conocido como hielo, agua y vapor, Son bien conocidos. Similar, aunque menos familiar, quizás, Los materiales poliméricos también pueden formar diferentes fases sólidas o líquidas que determinan sus propiedades y utilidad última. Esto es especialmente cierto para los copolímeros de bloque, las macromoléculas autoensambladas creadas cuando una cadena de polímero de un tipo ("Bloque A") se conecta químicamente con la de un tipo diferente ("Bloque B").

"Si desea un copolímero de bloque que tenga una determinada propiedad, elige la fase correcta para una determinada aplicación de interés, "explicó Chris Bates, profesor asistente de materiales en la Facultad de Ingeniería de UC Santa Barbara. "Para el caucho en los zapatos, quieres una fase; para hacer una membrana, quieres uno diferente ".

Sólo se han descubierto unas cinco fases en los copolímeros de bloques más simples. Encontrar una nueva fase es raro, pero Bates y un equipo de otros investigadores de la UC Santa Bárbara, incluidos los profesores Glenn Fredrickson (ingeniería química) y Craig Hawker (materiales), Morgan Bates, científico de planta y subdirector de tecnología en el Dow Materials Institute en UCSB, e investigador postdoctoral Joshua Lequieu, He hecho precisamente eso.

Sus hallazgos se publican en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Hace unos 12 meses, Morgan Bates estaba haciendo un trabajo experimental con polímeros que había sintetizado en el laboratorio, en un esfuerzo, ella dijo, "para comprender los parámetros fundamentales que gobiernan el autoensamblaje de los copolímeros de bloque mediante el examen de lo que sucede cuando se modifica la química del bloque".

Hay infinitas posibilidades para la química de los bloques "A" y "B", según Chris Bates. "La química sintética moderna nos permite elegir básicamente cualquier tipo de polímero A y conectarlo con un bloque B diferente, ", dijo." Dado este vasto espacio de diseño, el verdadero desafío es descubrir las perillas más importantes para hacer girar ese autoensamblaje de control ".

Morgan Bates estaba tratando de comprender la relación entre química y estructura.

"Había modificado químicamente un parámetro relacionado con lo que se llama 'asimetría conformacional, 'que describe cómo los dos bloques llenan el espacio, "Ella recordó el proceso que condujo al descubrimiento." No estábamos necesariamente tratando de encontrar una nueva fase, pero pensamos que tal vez descubriríamos algún comportamiento nuevo. En este caso, los bloques A y B que están unidos covalentemente llenan el espacio de manera muy diferente, y ese parece ser el parámetro subyacente que da lugar a un autoensamblaje único ".

Después de crear los copolímeros de bloque, los llevó a la Fuente de Fotones Avanzada en el Laboratorio Nacional Argonne, en Illinois, donde se utilizó una técnica llamada "dispersión de rayos X de ángulo pequeño" para caracterizarlos. El proceso produce una firma bidimensional de rayos X dispersos dispuestos en anillos concéntricos. La ubicación e intensidad relativas de los anillos indican una fase particular. Morgan necesitaba viajar a un laboratorio nacional, porque el proceso requiere rayos X más potentes que los que se pueden producir en el campus.

Después de ese trabajo, dijo Chris Bates, "Utilizando conocimientos de cristalografía, puede interpretar los datos de dispersión y producir una imagen como si estuviera mirando la estructura con sus ojos. Y en este caso los datos eran de tan alta calidad que pudimos hacerlo sin ambigüedades ".

Morgan Bates recordó que cuando examinó el patrón de rayos X, una cosa estaba inequívocamente clara:"Se veía diferente. Pensé, '¿Que es eso?'"

Era, por supuesto, su fase recién descubierta, conocido como A15. "Con estos tipos de copolímeros de bloque AB, solo hay un puñado de fases que las personas han observado anteriormente, y hemos encontrado otro, que se suma a la paleta de posibles opciones desde el punto de vista del diseño, "Dijo Chris.

"Entre las formas de categorizar estructuras, esta fase pertenece a una clase conocida como 'empaquetada tetraédricamente compacta', "añadió Lequieu, un experto en simulaciones por computadora que modeló el comportamiento de fase de los polímeros. "La fase que encontramos en los copolímeros de bloque se observó por primera vez en 1931 con un alótropo [o forma] de tungsteno. Pero en ese caso, A15 se forma a partir de átomos de metal, que crean una estructura muy pequeña en la escala de longitud atómica. Nuestros copolímeros de bloque adoptan la misma estructura pero a una escala de longitud dos órdenes de magnitud mayor, y, por supuesto, no intervienen átomos de metal.

"Si tuvieras que mirar ambos con un microscopio, " él continuó, "sus estructuras tendrían el mismo aspecto, pero solo en diferentes tamaños. Es fascinante que la naturaleza elija usar los mismos motivos estructurales para materiales completamente diferentes que tienen una química y una física totalmente ajenas ".

El proyecto demuestra la facilidad de, y proclividad por, colaboración entre investigadores de UC Santa Barbara. Comenzó con una nueva química desarrollada por Hawker y Bates para ajustar las propiedades de los materiales, lo que fue seguido por los inesperados resultados de caracterización de Morgan. "Desde allí, Fuimos a Josh y le dijimos que había algo extraño en los experimentos que no esperábamos y le preguntamos por qué, ", Dijo Chris Bates. Lequieu luego trabajó con Fredrickson para desarrollar las simulaciones por computadora.

"Hubo un gran intercambio de ideas en este proyecto, ", Dijo Lequieu." Se realizó un experimento que fue difícil de entender, así que realizamos simulaciones para explicarlo. Morgan luego hizo más experimentos, informado por los resultados de las simulaciones iniciales, y observó que los cálculos eran en realidad predictivos. Las fases observadas experimentalmente aparecieron justo donde las simulaciones dijeron que lo harían. En algunos lugares, sin embargo, los experimentos y simulaciones no estuvieron de acuerdo, así que iteramos varias veces para mejorar los modelos y comprender realmente las sutilezas involucradas ".

"Avanzando, "agregó Chris Bates, "Nuestro equipo continúa integrando la síntesis y la teoría de materiales en la búsqueda de un comportamiento de fase más exclusivo".

Lequieu describió el ciclo de retroalimentación desde el experimento hasta la simulación, la teoría y viceversa como "una especie de sueño de la ciencia moderna de los materiales. Se necesita mucho trabajo para que Morgan haga estas muestras. Es mucho más fácil si alguien predice los resultados en una computadora y puede decir, "Aquí hay un subconjunto de polímeros para sintetizar que deberían formar la estructura deseada". Este enfoque del llamado 'diseño inverso' le ahorra mucho tiempo y esfuerzo ".

En términos de naturaleza recurriendo a diseños preferidos para materiales que de otro modo no estarían relacionados, Vale la pena mencionar un poco de historia. En 1887, Lord Kelvin, el de las unidades homónimas de temperatura absoluta, estaba trabajando en lo que más tarde se conocería como el "problema Kelvin". Fue un esfuerzo por determinar cómo se podría dividir el espacio en celdas de igual volumen con la menor superficie entre ellas. Su solución propuesta, que indicó la espuma de burbujas más eficiente, se conoció como la "estructura Kelvin".

Se mantuvo durante unos cien años, pero en 1994 se demostró que era incorrecto. Kelvin había elegido lo que podría llamarse "Estructura A, ", pero un equipo de científicos británicos demostró que la" Estructura B "era incluso mejor. Desde entonces, La Estructura B ha ganado fama en los círculos científicos e incluso mucho más allá, apareciendo por ejemplo, en forma de burbujas gigantes que sirven como elementos arquitectónicos funcionales y elementos de diseño en el techo del Centro Acuático Nacional de Beijing construido para los Juegos Olímpicos de 2008.

Resulta que la nueva fase descubierta por los investigadores de este proyecto, A15, es la Estructura B, confirmando una vez más que a la naturaleza le gusta un diseño previamente exitoso.