Científicos de polímeros de la Universidad de Massachusetts Amherst anunciaron recientemente en la revista Nature Communications que han resuelto un misterio de larga data que rodea una estructura a nanoescala, formada por colecciones de moléculas, llamada doble giroide. Esta forma es una de las más deseables para los científicos de materiales y tiene una amplia gama de aplicaciones; pero hasta ahora, una comprensión predecible de cómo se forman estas formas ha eludido a los investigadores.

"Hay una hermosa interacción entre las matemáticas puras y la ciencia de los materiales", dice Greg Grason, autor principal del artículo y profesor de ciencia e ingeniería de polímeros en UMass Amherst. "Nuestro trabajo investiga cómo los materiales se ensamblan a sí mismos en formas naturales".

Estas formas pueden tomar muchas formas. Pueden ser simples, como una capa, un cilindro o una esfera. "Un poco como películas de jabón", agrega Michael Dimitriyev, investigador postdoctoral en ciencia e ingeniería de polímeros en UMass Amherst, y uno de los coautores del artículo. "Hay una comprensión intuitiva de las formas que pueden construir las moléculas, como las del jabón. Lo que hemos hecho es revelar la geometría oculta que permite que los polímeros asuman la forma de doble giroide".

¿Cómo se ve un giroide doble? No es intuitivo. "Son algo intermedio entre una capa y un cilindro", dice Abhiram Reddy, investigador postdoctoral en Northwestern que completó esta investigación como parte de su estudio de posgrado en UMass Amherst y autor principal del artículo. En otras palabras, imagine una pieza plana de pantalla de ventana, una capa, y luego gírela en una capa con forma de silla de montar que encaje en una caja cúbica de tal manera que su área de superficie permanezca lo más pequeña posible. Eso es un giroide. Un giroide doble es cuando un segundo material, también retorcido en un giroide, llena los espacios en el primer giroide. Cada material giroide forma una red de tubos que se interpenetran entre sí. Juntos, forman un material enormemente complejo que es simétrico por todos lados, como muchos cristales, pero atravesado por canales laberínticos, cada uno formado por diferentes unidades moleculares. Debido a que este material es un híbrido de dos giroides, puede diseñarse para que tenga propiedades contradictorias.

Estos giroides dobles existen en la naturaleza y se han observado durante mucho tiempo, pero hasta ahora, nadie ha descubierto cómo las moléculas de cadena, conocidas como copolímeros de bloque, saben cómo formar giroides dobles. Reddy y sus coautores se basaron en un modelo teórico anterior, agregando una gran dosis de termodinámica y un nuevo enfoque para pensar sobre el problema del empaque, o la mejor manera de llenar un contenedor finito con material, tomado de la geometría computacional y conocido como el medio. mapa. Dado que los copolímeros necesitan estirarse para ocupar cada parte de la estructura autoensamblada, comprender esta formación requiere saber cómo las moléculas "miden el centro" de las formas, como los giroides, que son mucho más complejas que las esferas y los cilindros. El modelo teórico actualizado del equipo no solo explica la formación desconcertante de los giroides dobles, sino que promete comprender cómo funciona el problema del empaquetamiento en una gama mucho más amplia de superestructuras autoensambladas, como diamantes dobles y primitivas dobles, o incluso estructuras que aún no se han descubierto.

A continuación, los investigadores planean colaborar con químicos sintéticos para comenzar a refinar su teoría con datos experimentales. El objetivo final es poder diseñar una amplia variedad de materiales que aprovechen la estructura del doble giroide y que puedan ayudar a avanzar en una amplia gama de tecnologías, desde baterías recargables hasta revestimientos que reflejan la luz. + Explora más

Los giroides dobles blandos son cristales únicos, pero imperfectos