Un défaut inattendu de « cygne noir » découvert pour la première fois dans la matière molle

Dans le cadre de nouvelles recherches, les scientifiques de l’Université Texas A&M révèlent pour la première fois un seul défaut microscopique appelé «jumeau» dans un copolymère à masse molle en utilisant une technologie avancée de microscopie électronique. Ce défaut pourrait être exploité dans le futur pour créer des matériaux aux nouvelles propriétés acoustiques et photoniques.

« Ce défaut est comme un cygne noir – quelque chose de spécial qui se produit et qui n’est pas typique », a déclaré le Dr Edwin Thomas, professeur au Département de science et de génie des matériaux. «  Bien que nous ayons sélectionné un polymère spécifique pour notre étude, je pense que le double inconvénient serait assez universel dans une gamme de systèmes de matériaux souples similaires, tels que les huiles et les tensioactifs, Matériaux biologiques Et les polymères naturels. Par conséquent, nos résultats seront utiles pour diverses recherches dans le domaine des matériaux souples. « 

Les résultats de l’étude sont détaillés dans Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

Les matériaux peuvent être classés en gros comme matériaux durs ou mous. Les solides, tels que les alliages métalliques et les céramiques, ont généralement une disposition d’atomes régulière et très symétrique. De plus, dans un solide, des groupes d’atomes ordonnés s’organisent en blocs de construction à l’échelle nanométrique Cellules unitaires. Normalement, ces cellules unitaires sont constituées de quelques atomes et s’accumulent ensemble pour former le cristal périodique. La matière molle peut également former des cristaux constitués de cellules unitaires, mais le modèle périodique n’est maintenant pas de niveau Le niveau atomique; Il se produit à une échelle beaucoup plus grande que les assemblages de grosses particules.

En particulier, pour le copolymère dibloc AB, qui est un type de matériau mou, l’excitateur moléculaire cyclique se compose de deux chaînes liées: une chaîne d’unités A et une chaîne d’unités B. Chaque chaîne, appelée bloc, contient des milliers d’unités jointes ensemble et un cristal Soft par assemblage sélectif d’unités A dans des domaines et d’unités B dans des domaines qui forment des cellules méga-unitaires par rapport au solide.

Une autre différence notable entre les cristaux durs et mous est que les défauts structurels ont été étudiés plus largement dans le solide. Ces défauts peuvent se produire à un emplacement atomique unique dans le matériau, appelé défaut ponctuel. Par exemple, des défauts ponctuels dans l’arrangement périodique des atomes de carbone dans un diamant dus à des impuretés d’azote créent le diamant jaune brillant « canari ». De plus, les défauts cristallins peuvent être allongés en tant que défaut de ligne ou répartis sur une zone en tant que défaut de surface.

Dans une large mesure, les imperfections sont à l’intérieur Matériaux solides Cela a été largement étudié à l’aide de techniques d’imagerie électronique avancées. Mais afin de pouvoir identifier et quantifier les défauts dans les cristaux mous formés par le copolymère, Thomas et ses collègues ont utilisé une nouvelle technique appelée microscopie électronique et diaporamas. Cette méthode a permis aux chercheurs d’utiliser un micro-faisceau ionique pour couper une très fine tranche du matériau souple, puis d’utiliser un faisceau d’électrons pour imager la surface sous la tranche, puis de découper l’image encore et encore. Ces diapositives ont ensuite été empilées numériquement pour un rendu 3D.

Pour leur analyse, ils ont examiné un copolymère à deux blocs constitué d’un bloc de polystyrène et d’un bloc de polyméthylsiloxane. Au niveau microscopique, l’unité cellulaire de ce matériau présente un motif spatial de la forme dite «  double thyroïde  », qui est une structure cyclique complexe composée de deux réseaux moléculaires entrelacés, l’un ayant une rotation à gauche et l’autre , rotation à droite.

Alors que les chercheurs ne recherchaient pas activement un défaut particulier dans le matériau, la technologie d’imagerie avancée a révélé un défaut de surface appelé la double frontière. De part et d’autre de la double jonction, les réseaux moléculaires changent brusquement la façon dont ils sont à la main.

«J’aime appeler ce défaut un miroir topologique, et c’est un effet vraiment cool», a déclaré Thomas. « Quand vous avez une double bordure, c’est comme regarder un reflet dans un miroir, où chaque grille traverse les frontières, les grilles se décalent, la droite devient la gauche et vice versa. »

Le chercheur a ajouté que les conséquences d’avoir une double limite dans une structure périodique qui ne contient pas en soi de symétrie de miroir inhérente peuvent conduire à de nouvelles propriétés optiques et acoustiques qui ouvrent de nouvelles portes dans l’ingénierie et la technologie des matériaux.

« En biologie, nous savons que même un seul défaut d’ADN, ou mutation, peut provoquer une maladie ou tout autre changement observable dans un organisme. Dans notre étude, nous avons montré un seul jumeau. défaut « Dans un matériau à double thyroïde, les recherches futures exploreront s’il y a quelque chose de spécial à propos d’un plan miroir isolé dans une structure qui autrement n’a pas de symétrie miroir », a déclaré Thomas.