Lo que parece ser un laberinto increíblemente complicado es en realidad bastante simple. Dos laberintos complicados entrelazados pero sin tocar, contar una historia diferente.

Ahora imagínelos en la nanoescala y hechos de cristales blandos. El científico de materiales Ned Thomas de la Escuela de Ingeniería Brown de la Universidad de Rice ha hecho más que imaginarlos:él y su laboratorio los han creado y analizado, rebanada por nano rebanada.

Thomas y su equipo informan en Naturaleza su caracterización de un giroide doble de materia blanda. Lo que pensaron brevemente sería un giroide doble perfecto, su disposición curvada de nodos y varillas que se repiten ad infinitum, no iba a ser. En cambio, encontraron que su esperada construcción cúbica estaba llena de distorsiones.

Un giroide es un cristal basado en superficies mínimas triplemente periódicas, una geometría que permite que su forma repetida se extienda en tres dimensiones para siempre (o al menos hasta que esté restringida). A veces se encuentran en la naturaleza; por ejemplo, los giroscopios dan a las alas de las mariposas su iridiscencia.

Los científicos e ingenieros están interesados ​​en los giroscopios por la forma en que interactúan con las ondas de luz y de sonido. materiales a nanoescala prometedores con propiedades novedosas. La forma del giroide dicta cómo e incluso si una ola pasará al otro lado. De ese modo, el material puede ser invisible para algunas olas, o un reflector de otras longitudes de onda.

Notablemente, la combinación química de polidimetilsiloxano (PDMS) y poliestireno, inicialmente disuelto en una solución, se autoensambla en un giroide doble, con dos redes PDMS distintas bailando una alrededor de la otra sin siquiera tocarse.

Un giroide doble puede ser aún más sintonizable, ya que los distintos materiales que componen cada red podrían afectar las señales de manera diferente. Todo esto se basa en que la estructura de la celda unitaria sea cubos perfectos.

Lamentablemente, los giroscopios dobles suaves que se ensamblan en un copolímero de bloque no lo son, según Thomas, el autor principal e investigador postdoctoral Xueyan Feng y sus colegas.

"Llamamos a las redes de giroscopios rojo y azul, pero en realidad son el mismo compuesto químico, PDMS, "dijo Thomas, recogiendo modelos 3-D de las estructuras a nanoescala. "El material entre ellos es estireno, y hay más estireno que rojo y azul ".

Si la repetición básica del patrón 3D incrustado en cada giroide fuera un cubo perfecto, que hubiera hecho que el material correspondiera al No. 230, la última estructura posible en la centenaria lista de grupos espaciales que categoriza todas las posibles configuraciones tridimensionales de materiales, él dijo.

"Mineralogistas y matemáticos crearon esta lista cuando se interesaron en, por ejemplo, por qué los cristales de cuarzo tienen la simetría que tienen y descubrieron todos los arreglos espaciales de los elementos de simetría:traslación, rotación, reflexión, inversión roto-inversión, roto-reflexión, atornillar y deslizar, ", Dijo Thomas." Sólo hay 230 formas de unirlos de manera coherente.

"Y mi grupo fue el primero en encontrar el número 230 en copolímeros de bloque en 1994, pero resulta que en realidad no es exactamente cúbico cuando se forma, y ​​nadie lo sabía hasta ahora, " él dijo.

Con la ayuda del Centro de Microscopía Electrónica de Rice, los investigadores adaptaron un microscopio electrónico para obtener imágenes de forma alternativa y luego usar un haz de iones para quitar suavemente una rebanada de 3 nanómetros de un bloque de doble giroide. Hicieron esto cientos de veces en un área muy grande, permitiendo reconstruir un gran volumen de la estructura de doble giroide en alta resolución.

Eso reveló los límites de grano en toda la estructura, se formó cuando el doble giroide se nucleó en varios lugares en solución y se desalineó, forzando la falta de coincidencia en las intersecciones de la red. Descubrieron que la celda unitaria real no era la simetría más alta posible (cúbica), pero era el más bajo:una celda triclínica que, mientras constante dentro de un grano dado, variaba de un grano a otro en toda la estructura. Eso llevó a la apariencia general de "un cúbico promedio, "Thomas dijo, mientras que en la actualidad, la simetría se distorsionó significativamente de cúbica.

"La solución de polímero de partida que la gente usa para fabricar estos materiales es principalmente solvente, y cuando se evapora y la estructura comienza a formarse, el sistema en general se está reduciendo, ", dijo." Si se encoge uniformemente en todas las direcciones, eso estaría bien, pero no es así. Diferentes granos y diferentes orientaciones están siendo aplastados por fuerzas de contracción, por lo que no debería ser una sorpresa tener distorsiones ".

Eso significa que las celdas unitarias rompen la simetría a medida que las moléculas de polímero en bloque tiran de un lado a otro para alcanzar sus estados mínimos de unión de energía. Dijo Thomas.

"La conclusión es que si planeas usarlos como cristales cúbicos fotónicos y fonónicos con espacios de banda, que se calculan sobre la base de una estructura cúbica perfecta en un perfecto, infinito, celosía cúbica, tienes otra cosa por venir ", dijo." No se puede hacer eso experimentalmente a menos que descubra algunas nuevas técnicas de crecimiento ".

Sin embargo, el laboratorio de Rice está trabajando para crear creaciones cúbicas, Dijo Feng. "Apagar la gravedad ayudaría, o haciéndolos en el espacio, ", dijo. Pero sin esas opciones, los investigadores están buscando una técnica para evaporar la solución en todas las direcciones para aliviar la tensión direccional en el material.

"La naturaleza no sabe sobre quiralidad, matemáticas o grupos espaciales, ", Dijo Thomas." Pero es fascinante que estas moléculas sean lo suficientemente inteligentes para hacerlo ".