Ein unerwarteter “schwarzer Schwan” -Defekt wurde zum ersten Mal in weicher Materie entdeckt

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In neuen Forschungen haben Wissenschaftler der Texas A & M University zum ersten Mal einen einzelnen mikroskopischen Defekt entdeckt, der als “Zwilling” in einem Weichmassencopolymer unter Verwendung fortschrittlicher Elektronenmikroskopietechnologie bezeichnet wird. Dieser Defekt kann in Zukunft ausgenutzt werden, um Materialien mit neuen akustischen und photonischen Eigenschaften zu schaffen.


“Dieser Defekt ist wie ein schwarzer Schwan – etwas Besonderes, das passiert und nicht typisch ist”, sagte Dr. Edwin Thomas, Professor am Department of Materials Science and Engineering. “ Obwohl wir ein spezifisches Polymer für unsere Studie ausgewählt haben, denke ich, dass der doppelte Nachteil für eine Reihe ähnlicher Weichmaterialsysteme wie Öle und Tenside ziemlich universell wäre. Biologische Materialien Und natürliche Polymere. Daher werden unsere Ergebnisse für verschiedene Forschungen auf dem Gebiet der weichen Materialien von Wert sein. “

Die Studienergebnisse sind in detailliert Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften ((PNAS).

Die Materialien können allgemein als harte oder weiche Materialien klassifiziert werden. Feststoffe wie Metalllegierungen und Keramiken weisen im Allgemeinen eine regelmäßige und sehr symmetrische Anordnung der Atome auf. Darüber hinaus ordnen sich in einem Festkörper Gruppen geordneter Atome zu nanoskaligen Bausteinen an Einheitszellen. Normalerweise bestehen diese Einheitszellen aus wenigen Atomen und sammeln sich zusammen, um den periodischen Kristall zu bilden. Die weiche Materie kann auch Kristalle bilden, die aus Einheitszellen bestehen, aber das periodische Muster ist jetzt nicht eben Die atomare Ebene;; Es tritt in einem viel größeren Maßstab auf als Anordnungen großer Partikel.

Insbesondere für AB-Diblockcopolymer, bei dem es sich um eine Art weiches Material handelt, besteht der cyclische molekulare Erreger aus zwei verknüpften Ketten: einer Kette von A-Einheiten und einer Kette von B-Einheiten. Jede Kette, Block genannt, enthält Tausende von verbundenen Einheiten zusammen und ein Kristall weich durch selektive Anordnung von A-Einheiten in Domänen und B-Einheiten in Domänen, die im Vergleich zu Feststoffen Mega-Einheitszellen bilden.

Ein weiterer bemerkenswerter Unterschied zwischen harten und weichen Kristallen besteht darin, dass strukturelle Defekte im Feststoff eingehender untersucht wurden. Diese Defekte können an einer einzelnen atomaren Stelle innerhalb des Materials auftreten, die als Punktdefekt bezeichnet wird. Beispielsweise erzeugen Punktdefekte in der periodischen Anordnung von Kohlenstoffatomen in einem Diamanten aufgrund von Stickstoffverunreinigungen den leuchtend gelben “kanarischen” Diamanten. Zusätzlich können Kristalldefekte als Liniendefekt verlängert oder als Oberflächendefekt über einen Bereich verteilt werden.

Unvollkommenheiten sind größtenteils im Inneren Feste Materialien Dies wurde unter Verwendung fortschrittlicher elektronischer Bildgebungstechniken eingehend untersucht. Um jedoch Defekte in den vom Copolymer gebildeten weichen Kristallen identifizieren und quantifizieren zu können, verwendeten Thomas und Kollegen eine neue Technik namens Elektronenmikroskopie und Diashows. Diese Methode ermöglichte es den Forschern, mit einem ionischen Mikrostrahl eine sehr dünne Schicht des weichen Materials zu schneiden, dann die Oberfläche unter der Schicht mit einem Elektronenstrahl abzubilden und das Bild dann immer wieder in Scheiben zu schneiden. Diese Folien wurden dann für ein 3D-Rendering digital zusammengestapelt.

Für ihre Analyse untersuchten sie ein Zwei-Block-Copolymer aus einem Polystyrolblock und einem Polymethylsiloxanblock. Auf mikroskopischer Ebene zeigt die Zelleinheit aus diesem Material ein räumliches Muster der sogenannten “doppelten Schilddrüsenform”, bei der es sich um eine komplexe zyklische Struktur handelt, die aus zwei miteinander verflochtenen molekularen Netzwerken besteht, von denen eines eine Linksrotation und das andere eine Linksdrehung aufweist Rechtsdrehung.

Während die Forscher nicht aktiv nach einem bestimmten Defekt im Material suchten, ergab die fortschrittliche Bildgebungstechnologie einen Oberflächendefekt, der als Doppelgrenze bezeichnet wird. Auf beiden Seiten des Doppelübergangs ändern die molekularen Netzwerke abrupt die Art und Weise, wie sie von Hand sind.

“Ich nenne diesen Defekt gerne einen topologischen Spiegel, und es ist ein wirklich cooler Effekt”, sagte Thomas. “Wenn Sie einen doppelten Rand haben, ist es, als würden Sie eine Reflexion in einem Spiegel betrachten, in der jedes Gitter Grenzen überschreitet, Gitter sich verschieben, rechts nach links wird und umgekehrt.”

Der Forscher fügte hinzu, dass die Konsequenzen einer Doppelbindung in einer periodischen Struktur, die an und für sich keine inhärente Spiegelsymmetrie enthält, zu neuen optischen und akustischen Eigenschaften führen können, die neue Türen in der Werkstofftechnik und -technologie öffnen.

„In der Biologie wissen wir, dass bereits ein einzelner DNA-Defekt oder eine einzelne Mutation eine Krankheit oder eine andere beobachtbare Veränderung eines Organismus verursachen kann. In unserer Studie haben wir einen einzelnen Zwilling gezeigt. Defekt “In einem Material mit doppelter Schilddrüse wird in zukünftigen Forschungen untersucht, ob eine isolierte Spiegelebene in einer Struktur, die ansonsten keine Spiegelsymmetrie aufweist, etwas Besonderes ist”, sagte Thomas.


Die leitende Natur zeigt sich in den Kristallstrukturen bei einer 10-Millionen-fachen Vergrößerung


Mehr Informationen:
Xueyan Feng et al., Visualisierung einer Doppel-Zwillings-Schilddrüse, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2021). DOI: 10.1073 / pnas.2018977118

Einführung von
Texas A & M University

das Zitat: Unerwarteter “schwarzer Schwan” -Defekt in weicher Materie erstmals entdeckt (2021, 19. Mai) Abgerufen am 19. Mai 2021 von https://phys.org/news/2021-05-unuable-black-swan-defect -soft. html

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