En una nueva investigación, Los científicos de la Universidad de 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 puede 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 cierto polímero para nuestro estudio, Creo que el defecto gemelo será bastante universal en un montón de sistemas similares de materia blanda, como aceites, tensioactivos, materiales biológicos y polímeros naturales. Por lo tanto, nuestros hallazgos serán valiosos para diversas investigaciones en el campo de las materias blandas ".

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 materiales duros o blandos. Materiales duros, como aleaciones metálicas y cerámicas, generalmente tienen una disposición de átomos muy regular y simétrica. Más lejos, en materia dura, grupos ordenados de átomos se organizan en bloques de construcción nanoscópicos, llamadas celdas unitarias. Típicamente, estas celdas unitarias están compuestas por solo unos pocos átomos y se apilan para formar el cristal periódico. La materia blanda también puede formar cristales que consisten en células unitarias, pero ahora el patrón periódico no está a nivel atómico; ocurre a una escala mucho mayor a partir de conjuntos de moléculas grandes.

En particular, para un copolímero dibloque A-B, un tipo de materia blanda, el motivo molecular periódico se compone de dos cadenas unidas:una cadena de unidades A y una cadena de unidades B. Cada cadena, llamado bloque, tiene miles de unidades unidas entre sí y se forma un cristal blando mediante la agregación selectiva de las unidades A en dominios y las 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 extensamente en la materia dura. Estas imperfecciones pueden ocurrir en una sola ubicación atómica dentro del 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 en los cristales pueden alargarse como un defecto de línea o extenderse a través de un área como un defecto de superficie.

En general, Los defectos en materiales duros se han investigado exhaustivamente utilizando técnicas avanzadas de formación de imágenes electrónicas. Pero para poder localizar e identificar defectos en sus cristales blandos de copolímero de bloque, Thomas y sus colegas utilizaron una nueva técnica llamada microscopía electrónica de barrido de corte y vista. Este método permitió a los investigadores utilizar un haz de iones fino para recortar una rebanada muy fina del material blando, luego usaron un haz de electrones para obtener una imagen de la superficie debajo del corte, luego cortar de nuevo, imagen de nuevo, una y otra vez. Luego, estos cortes se apilaron digitalmente para obtener una vista en 3D.

Para su análisis, investigaron un copolímero dibloque hecho de un bloque de poliestireno y un bloque de polidimetilsiloxano. A nivel microscópico, una celda unitaria de este material exhibe un patrón espacial de la llamada forma de "doble giroide", un complejo, estructura periódica que consta de dos redes moleculares entrelazadas de las cuales una tiene una rotación a la izquierda y la otra, una rotación a la derecha.

Si bien los investigadores no buscaban activamente ningún defecto en particular en el material, la técnica de imagen avanzada descubrió un defecto superficial, llamado límite gemelo. A cada lado de la unión gemela, las redes moleculares transformaron abruptamente su lateralidad.

"Me gusta llamar a este defecto un espejo topológico, y es un efecto realmente genial, "dijo Thomas." Cuando tienes un límite gemelo, es como mirar un reflejo en un espejo, a medida que cada red cruza la frontera, las redes cambian la mano, la derecha se convierte en izquierda y viceversa ".

El investigador agregó que las consecuencias de tener un límite gemelo en una estructura periódica que por sí misma no tiene ninguna simetría especular inherente podrían 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 en el ADN, una mutación, puede causar una enfermedad o algún otro cambio observable en un organismo. En nuestro estudio, mostramos un único defecto gemelo en un material de doble giroide, ", dijo Thomas." Las investigaciones futuras explorarán para ver si hay algo especial en la presencia de un plano de espejo aislado en una estructura, que de otro modo no tiene simetría especular ".