Tutta la materia consiste di una o più fasi, regioni dello spazio con struttura e proprietà fisiche uniformi. Le fasi comuni di H2O (solido, liquido e gas), noto anche come ghiaccio, acqua e vapore, sono ben noti. Allo stesso modo, anche se meno familiare, forse, i materiali polimerici possono anche formare diverse fasi solide o liquide che ne determinano le proprietà e l'utilità finale. Ciò è particolarmente vero per i copolimeri a blocchi, le macromolecole autoassemblanti che si creano quando una catena polimerica di un tipo ("Blocco A") è chimicamente connessa con quella di un tipo diverso ("Blocco B").

"Se vuoi un copolimero a blocchi che abbia una certa proprietà, scegli la fase giusta per una determinata applicazione di interesse, " ha spiegato Chris Bates, un assistente professore di materiali presso l'UC Santa Barbara College of Engineering. "Per la gomma nelle scarpe, vuoi una fase; fare una membrana, ne vuoi uno diverso."

Solo circa cinque fasi sono state scoperte nei copolimeri a blocchi più semplici. Trovare una nuova fase è raro, ma Bates e un team di altri ricercatori della UC Santa Barbara, inclusi i professori Glenn Fredrickson (ingegneria chimica) e Craig Hawker (materiali), Morgan Bates, scienziato del personale e assistente direttore per la tecnologia presso il Dow Materials Institute della University of California, e ricercatore post-dottorato Joshua Lequieu, hanno fatto proprio questo.

I loro risultati sono pubblicati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Circa 12 mesi fa, Morgan Bates stava facendo un lavoro sperimentale sui polimeri che aveva sintetizzato in laboratorio, nel tentativo, lei disse, "per comprendere i parametri fondamentali che regolano l'autoassemblaggio dei copolimeri a blocchi esaminando cosa succede quando si modifica la chimica dei blocchi".

Ci sono infinite possibilità per la chimica dei blocchi "A" e "B", secondo Chris Bates. "La moderna chimica sintetica ci consente di scegliere praticamente qualsiasi tipo di polimero A e collegarlo con un diverso blocco B, " ha detto. "Dato questo vasto spazio di progettazione, la vera sfida è trovare le manopole più cruciali per girare l'autoassemblaggio del controllo."

Morgan Bates stava cercando di capire quella relazione tra chimica e struttura.

"Avevo modificato chimicamente un parametro relativo a quella che viene chiamata 'asimmetria conformazionale, ' che descrive come i due blocchi riempiono lo spazio, " Ha ricordato del processo che ha portato alla scoperta. "Non stavamo necessariamente cercando di trovare una nuova fase, ma pensavamo che forse avremmo scoperto qualche nuovo comportamento. In questo caso, i blocchi A e B che sono legati insieme in modo covalente riempiono lo spazio in modo molto diverso, e questo sembra essere il parametro sottostante che dà origine a un autoassemblaggio unico."

Dopo aver creato i copolimeri a blocchi, li ha portati all'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory, nell'Illinois, dove una tecnica chiamata "scattering di raggi X a piccolo angolo" è stata utilizzata per caratterizzarli. Il processo produce una firma bidimensionale di raggi X sparsi disposti in anelli concentrici. La posizione e l'intensità relative degli anelli indicano una fase particolare. Morgan aveva bisogno di recarsi in un laboratorio nazionale, perché il processo richiede raggi X più potenti di quelli che possono essere prodotti nel campus.

Dopo quel lavoro, ha detto Chris Bates, "Utilizzando la conoscenza della cristallografia, puoi interpretare i dati di dispersione e produrre un'immagine come se stessi guardando la struttura con i tuoi occhi. E in questo caso, i dati erano di una qualità così elevata che siamo stati in grado di farlo senza ambiguità".

Morgan Bates ha ricordato che quando ha esaminato il modello a raggi X, una cosa era inequivocabilmente chiara:"Sembrava diverso. Ho pensato, 'Cos'è quello?'"

Era, Certo, la loro fase appena scoperta, noto come A15. "Con questi tipi di copolimeri a blocchi AB, ci sono solo una manciata di fasi che le persone hanno osservato in precedenza, e ne abbiamo trovata un'altra, che aggiunge alla gamma di opzioni possibili dal punto di vista del design, "Cristo ha detto.

"Tra i modi di categorizzare le strutture, questa fase appartiene a una classe nota come "tetraedricamente ravvicinata", "aggiunse Lequieu, un esperto in simulazioni al computer che ha modellato il comportamento di fase dei polimeri. "La fase che abbiamo trovato nei copolimeri a blocchi è stata effettivamente osservata per la prima volta nel 1931 con un allotropo [o forma] di tungsteno. Ma in quel caso, A15 si forma da atomi di metallo, che creano una struttura molto piccola su scala di lunghezza atomica. I nostri copolimeri a blocchi adottano la stessa struttura ma su una scala di lunghezza di due ordini di grandezza più grande, e, Certo, non sono coinvolti atomi di metallo.

"Se dovessi guardare entrambi con un microscopio, " Lui continuò, "le loro strutture sarebbero le stesse, ma solo di dimensioni diverse. È affascinante che la natura scelga di utilizzare gli stessi motivi strutturali per materiali completamente diversi che hanno chimica e fisica del tutto indipendenti".

Il progetto dimostra la facilità di, e propensione per, collaborazione tra i ricercatori dell'UC Santa Barbara. È iniziato con una nuova chimica sviluppata da Hawker e Bates per mettere a punto le proprietà dei materiali, a cui sono seguiti gli inaspettati risultati della caratterizzazione di Morgan. "Da li, siamo andati da Josh e gli abbiamo detto che c'è qualcosa di strano negli esperimenti che non ci aspettavamo e gli abbiamo chiesto perché, " ha detto Chris Bates. Lequieu ha poi lavorato con Fredrickson per sviluppare le simulazioni al computer.

"C'è stato davvero un bel botta e risposta su questo progetto, " Ha detto Lequieu. "È stato fatto un esperimento che è stato difficile da capire, quindi abbiamo eseguito simulazioni per spiegarlo. Morgan poi ha fatto più esperimenti, informato dai risultati delle simulazioni iniziali, e osservò che i calcoli erano in realtà predittivi. Le fasi osservate sperimentalmente si sono presentate proprio dove le simulazioni dicevano che sarebbero state. In alcuni posti, tuttavia gli esperimenti e le simulazioni non erano d'accordo, quindi abbiamo ripetuto più volte per migliorare i modelli e comprendere davvero le sottigliezze coinvolte".

"Andando avanti, " ha aggiunto Chris Bates, "il nostro team continua a integrare la sintesi e la teoria dei materiali alla ricerca di un comportamento di fase più unico".

Lequieu ha descritto il ciclo di feedback dall'esperimento alla simulazione alla teoria e viceversa come "una sorta di sogno della moderna scienza dei materiali. Morgan richiede molto lavoro per realizzare questi campioni. È molto più facile se qualcuno prevede i risultati su un computer e può dire, "Ecco un sottoinsieme di polimeri da sintetizzare che dovrebbe formare la struttura desiderata." Questo cosiddetto approccio di "design inverso" le fa risparmiare molto tempo e fatica".

In termini di natura che ricorre a design preferiti per materiali altrimenti non correlati, vale la pena ricordare un po' di storia. Nel 1887, Lord Kelvin, l'omonima unità di temperatura assoluta, stava lavorando a quello che in seguito divenne noto come il "problema Kelvin". È stato uno sforzo per determinare come lo spazio potesse essere suddiviso in celle di uguale volume con la minima superficie tra di loro. La sua soluzione proposta, che indicava la schiuma a bolle più efficiente, divenne nota come la "struttura Kelvin".

Ha tenuto per circa cento anni, ma nel 1994 si dimostrò errato. Kelvin aveva scelto quella che si potrebbe chiamare "Struttura A, " ma un team di scienziati britannici ha dimostrato che la "Struttura B" era ancora migliore. Da allora, La struttura B ha guadagnato fama negli ambienti scientifici e anche ben oltre, che appare, ad esempio, sotto forma di bolle giganti che fungono sia da elementi architettonici funzionali che da elementi di design sul tetto del Centro acquatico nazionale di Pechino costruito per le Olimpiadi del 2008.

Si scopre che la nuova fase scoperta dai ricercatori in questo progetto, A15, è la struttura B, confermando ancora una volta che alla natura piace un design precedentemente riuscito.