ソフトマターで初めて発見された予期せぬ「ブラックスワン」欠陥

新しい研究で、テキサスA＆M大学の科学者は、高度な電子顕微鏡技術を使用して、ソフトマス共重合体の「ツイン」と呼ばれる単一の微視的欠陥を初めて明らかにしました。 この欠陥は、将来、新しい音響特性とフォトニック特性を備えた材料を作成するために悪用される可能性があります。

「この欠陥はブラックスワンのようなものです。これは特別なことであり、典型的ではありません」と、材料科学工学科のエドウィン・トーマス博士は述べています。 「私たちは研究のために特定のポリマーを選択しましたが、二重の欠点は、油や界面活性剤などの同様の軟質材料システムの範囲全体でかなり普遍的であると思います、 生物学的材料 そして天然高分子。 したがって、私たちの調査結果は、軟質材料の分野全体にわたるさまざまな研究にとって価値があります。」

研究結果の詳細は 国立科学アカデミーの議事録 （（PNAS）。

材料は、ハード材料とソフト材料に大別できます。 金属合金やセラミックなどの固体は、一般に、規則的で非常に対称的な原子配列を持っています。 さらに、固体では、秩序だった原子のグループがナノスケールのビルディングブロックに配置されます ユニットセル。 通常、これらのユニットセルは数個の原子で構成され、一緒に蓄積して周期的な結晶を形成します。 ソフトマターはユニットセルからなる結晶を形成することもできますが、周期的なパターンは現在水平ではありません 原子レベル; これは、大きな粒子の集合体よりもはるかに大規模に発生します。

特に、軟質材料の一種であるABジブロック共重合体の場合、環状分子励起剤は、Aユニットの1本の鎖とBユニットの1本の鎖の2つの連結鎖で構成されます。ブロックと呼ばれる各鎖には、数千のユニットが結合しています。固体と比較してメガユニットセルを形成するドメイン内のAユニットとドメイン内のBユニットの選択的アセンブリによる結晶ソフト。

硬い結晶と柔らかい結晶のもう1つの注目すべき違いは、構造上の欠陥が固体でより広く研究されていることです。 これらの欠陥は、ポイント欠陥と呼ばれる、材料内の単一の原子位置で発生する可能性があります。 たとえば、窒素不純物によるダイヤモンドの炭素原子の周期的配置の点欠陥は、鮮やかな黄色の「カナリア」ダイヤモンドを作成します。 さらに、結晶欠陥は、線欠陥として長くなることも、表面欠陥として領域全体に広がることもあります。

大部分、内部の欠陥 固体材料 これは、高度な電子画像技術を使用して広範囲に調査されています。 しかし、共重合体によって形成された軟結晶の欠陥を特定して定量化できるようにするために、Thomasらは電子顕微鏡とスライドショーと呼ばれる新しい技術を使用しました。 この方法により、研究者はイオンマイクロビームを使用して柔らかい材料の非常に薄いスライスをカットし、次に電子ビームを使用してスライスの下の表面を画像化し、画像を何度も何度もスライスすることができました。 次に、これらのスライドをデジタルで積み重ねて3Dレンダリングを行いました。

彼らの分析のために、彼らはポリスチレンブロックとポリメチルシロキサンブロックからなる2ブロック共重合体を調べました。 微視的レベルでは、この材料の細胞ユニットは、いわゆる「二重甲状腺」形状の空間パターンを示します。これは、一方が左回転し、もう一方が左回転する2つの絡み合う分子ネットワークで構成される複雑な周期構造です。 、右回転。

研究者は材料の特定の欠陥を積極的に探していませんでしたが、高度な画像技術により、二重境界と呼ばれる表面の欠陥が明らかになりました。 二重分岐のいずれかの側で、分子ネットワークはそれらが処理される方法を突然変えます。

「私はこの欠陥をトポロジーミラーと呼ぶのが好きです、そしてそれは本当にクールな効果です」とトーマスは言いました。 「二重の境界線がある場合、それは鏡の反射を見ているようなものです。すべてのグリッドが境界を越え、グリッドがシフトし、右が左になり、その逆も同様です。」

研究者は、それ自体が固有の鏡面対称性を含まない周期構造に二重境界を持つことの結果は、材料工学と技術に新しい扉を開く新しい光学的および音響的特性につながる可能性があると付け加えました。

「生物学では、単一のDNA欠陥または突然変異でさえ、生物に病気または他の観察可能な変化を引き起こす可能性があることを私たちは知っています。私たちの研究では、単一の双子を示しました。 欠陥 「二重甲状腺材料では、将来の研究は、そうでなければ鏡面対称性を持たない構造内の孤立した鏡面について何か特別なことがあるかどうかを調査するだろう」とトーマス氏は述べた。