Em uma nova pesquisa, Os cientistas da Texas A&M University revelaram pela primeira vez um único defeito microscópico chamado "gêmeo" em um copolímero de bloco macio usando uma técnica avançada de microscopia eletrônica. Este defeito pode ser explorado no futuro para criar materiais com novas propriedades acústicas e fotônicas.

"Este defeito é como um cisne negro - algo especial acontecendo que não é típico, "disse o Dr. Edwin Thomas, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. "Embora tenhamos escolhido um determinado polímero para nosso estudo, Acho que o defeito gêmeo será bastante universal em um monte de sistemas semelhantes de matéria mole, como óleos, surfactantes, materiais biológicos e polímeros naturais. Portanto, nossas descobertas serão valiosas para diversas pesquisas no campo da matéria mole. "

Os resultados do estudo são detalhados no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS )

Os materiais podem ser amplamente classificados como matéria dura ou mole. Materiais duros, como ligas metálicas e cerâmicas, geralmente têm um arranjo de átomos muito regular e simétrico. Avançar, em matéria dura, grupos ordenados de átomos se organizam em blocos de construção nanoscópicos, chamadas células unitárias. Tipicamente, essas células unitárias são compostas de apenas alguns átomos e se empilham para formar o cristal periódico. A matéria mole também pode formar cristais que consistem em células unitárias, mas agora o padrão periódico não está no nível atômico; ocorre em uma escala muito maior a partir de montagens de moléculas grandes.

Em particular, para um copolímero dibloco A-B, um tipo de matéria mole, o motivo molecular periódico compreende duas cadeias ligadas:uma cadeia de unidades A e uma cadeia de unidades B. Cada cadeia, chamado de bloco, tem milhares de unidades ligadas entre si e um cristal macio se forma por agregação seletiva das unidades A em domínios e unidades B em domínios que formam células unitárias enormes em comparação com a matéria dura.

Outra diferença notável entre cristais moles e duros é que os defeitos estruturais foram estudados muito mais extensivamente em matéria dura. Essas imperfeições podem ocorrer em um único local atômico dentro do material, chamado de defeito pontual. Por exemplo, defeitos pontuais no arranjo periódico dos átomos de carbono em um diamante devido a impurezas de nitrogênio criam o requintado diamante amarelo "canário". Além disso, imperfeições em cristais podem ser alongadas como um defeito de linha ou espalhar-se por uma área como um defeito de superfície.

Em geral, defeitos em materiais duros foram extensivamente investigados usando técnicas avançadas de geração de imagens de elétrons. Mas, para ser capaz de localizar e identificar defeitos em seus cristais macios de copolímero em bloco, Thomas e seus colegas usaram uma nova técnica chamada microscopia eletrônica de varredura de corte e visualização. Este método permitiu aos pesquisadores usar um feixe de íons fino para cortar uma fatia muito fina do material macio, em seguida, eles usaram um feixe de elétrons para criar imagens da superfície abaixo da fatia, então corte novamente, imagem de novo, de novo e de novo. Essas fatias foram então empilhadas digitalmente para obter uma visualização 3D.

Para sua análise, eles investigaram um copolímero dibloco feito de um bloco de poliestireno e um bloco de polidimetilsiloxano. No nível microscópico, uma célula unitária deste material exibe um padrão espacial da chamada forma de "duplo giroide", um complexo, estrutura periódica que consiste em duas redes moleculares entrelaçadas, uma das quais com rotação para a esquerda e a outra, uma rotação para a direita.

Embora os pesquisadores não estivessem procurando ativamente por nenhum defeito específico no material, a técnica de imagem avançada revelou um defeito de superfície, chamado de limite duplo. Em ambos os lados da junção gêmea, as redes moleculares transformaram abruptamente sua destreza.

"Gosto de chamar esse defeito de espelho topológico, e é um efeito muito bom, "disse Thomas." Quando você tem um limite duplo, é como olhar para um reflexo em um espelho, à medida que cada rede cruza a fronteira, as redes trocam de mão, direita torna-se esquerda e vice-versa. "

O pesquisador acrescentou que as consequências de ter um limite duplo em uma estrutura periódica que por si só não tem nenhuma simetria de espelho inerente podem induzir novas propriedades ópticas e acústicas que abrem novas portas na engenharia e tecnologia de materiais.

"Em biologia, sabemos que mesmo um único defeito no DNA, uma mutação, pode causar uma doença ou alguma outra mudança observável em um organismo. Em nosso estudo, mostramos um único defeito duplo em um material de giroide duplo, "disse Thomas." Pesquisas futuras irão explorar para ver se há algo especial sobre a presença de um plano de espelho isolado em uma estrutura, que de outra forma não tem simetria de espelho. "