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首次在软物质中发现意外的“黑天鹅”缺陷

信用:CC0公共领域

在一项新的研究中,得克萨斯州A&M大学的科学家首次使用先进的电子显微镜技术揭示了一种软质共聚物中被称为“双胞胎”的微观缺陷。 将来可能会利用此缺陷来创建具有新的声学和光子特性的材料。


材料科学与工程系教授埃德温·托马斯(Edwin Thomas)博士说:“这种缺陷就像黑天鹅,是一种特殊现象,并不常见。” “尽管我们为研究选择了一种特定的聚合物,但我认为双重不利因素在一系列类似的软质材料体系(例如油和表面活性剂)中将普遍存在, 生物材料 和天然聚合物。 因此,我们的发现对整个软材料领域的各种研究都是有价值的。”

研究结果详见 美国国家科学院院刊美国宇航局)。

这些材料可以大致分为硬质或软质材料。 诸如金属合金和陶瓷之类的固体通常具有规则且非常对称的原子排列。 此外,在一个固体中,有序原子群将它们自身排列成纳米级构造块 晶胞。 通常,这些晶胞由几个原子组成,并聚集在一起形成周期晶体。 软物质也可以形成由晶胞组成的晶体,但是周期性图案现在不平坦 原子水平; 它的发生比大颗粒的聚集要大得多。

特别是对于AB二嵌段共聚物(一种软质材料)来说,环状分子激发剂由两条连接的链组成:一条A单元链和一条B单元链,每条链称为嵌段,包含成千上万个连接的单元通过选择性组装区域中的A单元和区域中的B单元(与固体相比形成兆晶胞),可以使晶体柔软。

硬晶体和软晶体之间的另一个显着区别是,固体中的结构缺陷已得到更广泛的研究。 这些缺陷可能发生在材料内的单个原子位置,称为点缺陷。 例如,由于氮杂质,钻石中碳原子的周期性排列中的点缺陷产生了亮黄色的“金丝雀”钻石。 另外,晶体缺陷可以作为线缺陷而延长,或者可以在整个表面上作为表面缺陷而扩展。

在很大程度上,内部存在缺陷 固体材料 使用先进的电子成像技术已对此进行了广泛的研究。 但是为了能够识别和量化由共聚物形成的软晶体中的缺陷,Thomas及其同事使用了一种称为电子显微镜和幻灯片的新技术。 这种方法允许研究人员使用离子微束切割非常薄的软材料片,然后使用电子束对片下的表面成像,然后一次又一次地切片图像。 然后将这些幻灯片数字化堆叠在一起以进行3D渲染。

为了进行分析,他们检查了由聚苯乙烯嵌段和聚甲基硅氧烷嵌段制成的两嵌段共聚物。 在微观层面上,这种材料的细胞单元表现出所谓的“双甲状腺”形状的空间格局,这是一个复杂的循环结构,由两个相互缠绕的分子网络组成,其中一个具有左旋旋转能力,另一个具有左旋旋转能力。 ,右旋。

尽管研究人员并未积极寻找材料中的任何特定缺陷,但先进的成像技术揭示了一种称为双边界的表面缺陷。 在双连接的任一侧,分子网络突然改变了它们的处理方式。

托马斯说:“我喜欢将此缺陷称为拓扑镜像,这确实是很酷的效果。” “当您具有双边框时,就像在镜子中查看反射一样,其中每个网格都越过边界,网格移动,右侧变为左侧,反之亦然。”

研究人员补充说,在周期性结构中具有双重约束的结果本身不包含任何固有的镜面对称性,会导致新的光学和声学特性,从而为材料工程和技术打开新的大门。

“在生物学中,我们知道,即使单个DNA缺陷或突变也可以导致生物体疾病或其他可观察到的变化。在我们的研究中,我们显示了一个双胞胎。 缺点 托马斯说:“在一种双甲状腺材料中,未来的研究将探索在结构上没有镜像对称性的孤立镜像平面中是否存在特殊之处。”


以一千万倍的放大倍数显示出晶体结构中的导电性


更多信息:
冯雪艳等,双甲状腺的可视化, 美国国家科学院院刊 (2021年)。 DOI:10.1073 / pnas.2018977118

报价单:首次发现的软物质意外的“黑天鹅”缺陷(2021年5月19日)于2021年5月19日从https://phys.org/news/2021-05-unuable-black-swan-defect -soft检索。 html

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