Cientistas de polímeros da Universidade de Massachusetts Amherst anunciaram recentemente na revista Nature Communications que eles resolveram um mistério de longa data em torno de uma estrutura em nanoescala, formada por coleções de moléculas, chamada de giroide duplo. Essa forma é uma das mais desejáveis ​​para os cientistas de materiais e possui uma ampla gama de aplicações; mas até agora, uma compreensão previsível de como essas formas se formam iludiu os pesquisadores.
"Há uma bela interação entre matemática pura e ciência dos materiais", diz Greg Grason, autor sênior do artigo e professor de ciência e engenharia de polímeros na UMass Amherst. "Nosso trabalho investiga como os materiais se automontam em formas naturais."

Essas formas podem assumir muitas formas. Eles podem ser simples, como uma camada, cilindro ou esfera. "Um pouco como filmes de sabão", acrescenta Michael Dimitriyev, pesquisador de pós-doutorado em ciência e engenharia de polímeros na UMass Amherst, e um dos coautores do artigo. "Há uma compreensão intuitiva das formas que as moléculas, como as do sabão, podem construir. O que fizemos foi revelar a geometria oculta que permite que os polímeros assumam a forma de giroide duplo."

Como é um giroide duplo? Não é intuitivo. "Eles são algo entre uma camada e um cilindro", diz Abhiram Reddy, pesquisador de pós-doutorado na Northwestern que completou esta pesquisa como parte de seu estudo de pós-graduação na UMass Amherst e principal autor do artigo. Em outras palavras, imagine um pedaço plano de tela de janela - uma camada - e depois torça-o em uma camada em forma de sela que se encaixe em uma caixa cúbica de tal forma que sua área de superfície permaneça a menor possível. Isso é um giroide. Um giroide duplo é quando um segundo material, também torcido em um giroide, preenche as lacunas no primeiro giroide. Cada material giroide forma uma rede de tubos que se interpenetram. Juntos, eles formam um material extremamente complexo que é simétrico em todos os lados, como muitos cristais, mas permeado por canais labirínticos, cada um formado por diferentes unidades moleculares. Como este material é um híbrido de dois giroides, ele pode ser projetado para ter propriedades contraditórias.

Esses giroides duplos existem na natureza e são observados há muito tempo, mas até agora ninguém descobriu como as moléculas de cadeia, conhecidas como copolímeros em bloco, sabem como formar giroides duplos. Reddy e seus coautores basearam-se em um modelo teórico anterior, adicionando uma forte dose de termodinâmica e uma nova abordagem para pensar sobre o problema de empacotamento – ou a melhor forma de preencher um recipiente finito com material – emprestado da geometria computacional e conhecido como mediano. mapa. Como os copolímeros precisam se esticar para ocupar todas as partes da estrutura automontada, entender essa formação requer saber como as moléculas "medem o meio" de formas, como os giroides, que são muito mais complexas do que esferas e cilindros. O modelo teórico atualizado da equipe não apenas explica a formação intrigante de giroides duplos, mas também promete entender como o problema de empacotamento funciona em uma variedade muito mais ampla de superestruturas automontadas, como diamantes duplos e primitivos duplos, ou mesmo estruturas que ainda não foram descobertos.

Os pesquisadores planejam colaborar com químicos sintéticos para começar a refinar sua teoria com dados experimentais. O objetivo final é ser capaz de projetar uma ampla variedade de materiais que aproveitem a estrutura do giroide duplo e que possam ajudar a avançar em uma ampla gama de tecnologias, desde baterias recarregáveis ​​até revestimentos refletores de luz. + Explorar mais

Os giroides duplos macios são cristais únicos, mas imperfeitos