Quello che sembra essere un labirinto incredibilmente complicato è in realtà abbastanza semplice. Due complicati labirinti, intrecciati ma non toccanti, raccontare una storia diversa.

Ora immaginali su scala nanometrica e fatti di cristalli morbidi. Lo scienziato dei materiali Ned Thomas della Brown School of Engineering della Rice University ha fatto di più che immaginarli:lui e il suo laboratorio li hanno realizzati e analizzati, fetta per nano fetta.

Thomas e il suo team fanno rapporto in Natura la loro caratterizzazione di un doppio giroide di materia soffice. Quello che pensavano brevemente sarebbe stato un doppio giroide perfetto, la sua disposizione ricurva di nodi e aste che si ripetono all'infinito, non doveva essere. Hanno scoperto invece che la loro sperata costruzione cubica era piena di distorsioni.

Un giroide è un cristallo basato su superfici minime triplamente periodiche, una geometria che consente alla sua forma ripetitiva di estendersi in tre dimensioni per sempre (o almeno fino a quando non è vincolata). A volte si trovano in natura; ad esempio, i giroidi danno alle ali delle farfalle la loro iridescenza.

Scienziati e ingegneri sono interessati ai giroidi per il modo in cui interagiscono con le onde luminose e sonore, materiali promettenti su nanoscala con nuove proprietà. La forma del giroide determina come e anche se un'onda passerà dall'altra parte. In quel modo, il materiale può essere invisibile ad alcune onde, o un riflettore di altre lunghezze d'onda.

Sorprendentemente, la combinazione chimica di polidimetilsilossano (PDMS) e polistirene, inizialmente sciolto in una soluzione, si autoassembla in un doppio giroide, con due reti PDMS distinte che danzano l'una intorno all'altra senza mai toccarsi.

Un doppio giroide può essere ancora più sintonizzabile, come materiali distinti che rendono ogni rete potrebbero influenzare i segnali in modo diverso. Tutto questo si basa sul fatto che la struttura delle celle unitarie è cubi perfetti.

Purtroppo, i doppi giroidi morbidi che si assemblano in un copolimero a blocchi non lo sono, secondo Tommaso, l'autore principale e ricercatore post-dottorato Xueyan Feng e i loro colleghi.

"Chiamiamo le reti giroidi rosse e blu, ma in realtà sono lo stesso composto chimico, PDMS, "disse Tommaso, raccogliere modelli 3D delle strutture su scala nanometrica. "La roba tra di loro è stirene, e c'è più stirene che rosso e blu."

Se la ripetizione di base del modello 3D incorporato in ogni giroide fosse un cubo perfetto, che avrebbe fatto corrispondere il materiale al n. 230, l'ultima struttura possibile nell'elenco secolare dei gruppi spaziali che classifica tutte le possibili configurazioni 3D dei materiali, Egli ha detto.

"Minerologi e matematici hanno creato questa lista quando si sono interessati a, Per esempio, perché i cristalli di quarzo hanno la simmetria che hanno e hanno capito tutte le disposizioni spaziali degli elementi di simmetria:traduzione, rotazione, riflessione, inversione, roto-inversione, roto-riflessione, avvitare e scivolare, " Thomas ha detto. "Ci sono solo 230 modi per metterli insieme in modo coerente.

"E il mio gruppo è stato il primo a trovare il numero 230 nei copolimeri a blocchi nel 1994, ma si scopre che in realtà non è esattamente cubico quando si è formato, e nessuno lo sapeva fino ad ora, " Egli ha detto.

Con l'aiuto del Centro di microscopia elettronica del riso, i ricercatori hanno adattato un microscopio elettronico per visualizzare alternativamente e quindi utilizzare un raggio ionico per rimuovere delicatamente una fetta di 3 nanometri da un blocco a doppio giroide. Lo hanno fatto centinaia di volte su un'area molto vasta, consentendo di ricostruire in alta risoluzione un enorme volume della struttura a doppio giroscopio.

Che ha rivelato i confini del grano in tutta la struttura, formato quando il doppio giroide nucleato in vari punti in soluzione e si è riunito fuori allineamento, forzare la mancata corrispondenza alle intersezioni di rete. Hanno scoperto che la cella unitaria effettiva non era la più alta simmetria possibile (cubica), ma era il più basso:una cellula triclina che, mentre costante all'interno di un dato grano, variava da grano a grano in tutta la struttura. Ciò ha portato all'aspetto generale di "un cubo medio, " Tommaso ha detto mentre in realtà, la simmetria era significativamente distorta da cubica.

"La soluzione polimerica di partenza che le persone usano per produrre questi materiali è principalmente solvente, e quando evapora e la struttura comincia a formarsi, il sistema generale si sta restringendo, " ha detto. "Se si restringe uniformemente in tutte le direzioni, andrebbe bene, ma non è così. Grani diversi e orientamenti diversi vengono schiacciati dalle forze di ritiro, quindi non dovrebbe essere una sorpresa ottenere distorsioni".

Ciò significa che le celle unitarie rompono la simmetria mentre le molecole di polimero a blocchi tirano da questa parte e dall'altra per raggiungere i loro stati di legame di energia minima, disse Tommaso.

"La linea di fondo è che se prevedi di usarli come cristalli cubici fotonici e fononici con band gap, che sono tutti calcolati sulla base di una struttura cubica perfetta in un perfetto, infinito, reticolo cubico, hai un'altra cosa in arrivo, " ha detto. "Non puoi farlo sperimentalmente a meno che non trovi alcune nuove tecniche di crescita".

Tuttavia, il laboratorio del riso sta lavorando a creazioni cubiche, Feng ha detto. "Disattivare la gravità aiuterebbe, o facendoli nello spazio, " ha detto. Ma senza quelle opzioni, i ricercatori stanno cercando una tecnica per far evaporare la soluzione in tutte le direzioni per alleviare lo stress direzionale sul materiale.

"La natura non sa di chiralità o matematica o gruppi spaziali, " ha detto Thomas. "Ma è affascinante che queste molecole siano abbastanza intelligenti da farlo".