In una nuova ricerca, Gli scienziati della Texas A&M University hanno per la prima volta rivelato un singolo difetto microscopico chiamato "gemello" in un copolimero a blocchi morbidi utilizzando una tecnica avanzata di microscopia elettronica. Questo difetto potrebbe essere sfruttato in futuro per creare materiali con nuove proprietà acustiche e fotoniche.

"Questo difetto è come un cigno nero, qualcosa di speciale che non è tipico, " ha detto il dottor Edwin Thomas, docente presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "Anche se abbiamo scelto un certo polimero per il nostro studio, Penso che il doppio difetto sarà abbastanza universale in un sacco di sistemi di materia soffice simili, come gli oli, tensioattivi, materiali biologici e polimeri naturali. Perciò, i nostri risultati saranno preziosi per diverse ricerche nel campo della materia soffice".

I risultati dello studio sono dettagliati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

I materiali possono essere generalmente classificati come materia dura o morbida. Materiali duri, come le leghe metalliche e la ceramica, generalmente hanno una disposizione degli atomi molto regolare e simmetrica. Ulteriore, nelle cose difficili, gruppi ordinati di atomi si organizzano in blocchi nanoscopici, chiamate celle unitarie. Tipicamente, queste celle unitarie sono composte solo da pochi atomi e si impilano insieme per formare il cristallo periodico. La materia soffice può anche formare cristalli costituiti da celle unitarie, ma ora lo schema periodico non è a livello atomico; si verifica su una scala molto più ampia da assemblaggi di grandi molecole.

In particolare, per un copolimero diblocco A-B, un tipo di materia molle, il motivo molecolare periodico comprende due catene collegate:una catena di unità A e una catena di unità B. ogni catena, chiamato blocco, ha migliaia di unità collegate tra loro e si forma un cristallo morbido per aggregazione selettiva delle unità A in domini e unità B in domini che formano enormi celle unitarie rispetto alla materia dura.

Un'altra notevole differenza tra cristalli molli e duri è che i difetti strutturali sono stati studiati molto più ampiamente nella materia dura. Queste imperfezioni possono verificarsi in una singola posizione atomica all'interno del materiale, chiamato difetto puntuale. Per esempio, difetti puntuali nella disposizione periodica degli atomi di carbonio in un diamante dovuti alle impurità di azoto creano lo squisito diamante giallo "canarino". Inoltre, le imperfezioni nei cristalli possono essere allungate come un difetto di linea o diffondersi su un'area come un difetto superficiale.

Nell'insieme, i difetti all'interno dei materiali duri sono stati ampiamente studiati utilizzando tecniche avanzate di imaging elettronico. Ma per essere in grado di localizzare e identificare i difetti nei loro cristalli molli di copolimero a blocchi, Thomas e i suoi colleghi hanno utilizzato una nuova tecnica chiamata microscopia elettronica a scansione slice-and-view. Questo metodo ha permesso ai ricercatori di utilizzare un sottile fascio di ioni per tagliare una fetta molto sottile del materiale morbido, poi hanno usato un fascio di elettroni per visualizzare la superficie sotto la fetta, poi affettare di nuovo, immagine di nuovo, ancora ed ancora. Queste sezioni sono state poi impilate digitalmente insieme per ottenere una vista 3D.

Per la loro analisi, hanno studiato un copolimero diblocco costituito da un blocco di polistirene e un blocco di polidimetilsilossano. A livello microscopico, una cella unitaria di questo materiale presenta uno schema spaziale della cosiddetta forma a "doppio giroide", un complesso, struttura periodica costituita da due reti molecolari intrecciate di cui una ha una rotazione sinistrorsa e l'altra, una rotazione destrorsa.

Sebbene i ricercatori non fossero attivamente alla ricerca di alcun difetto particolare nel materiale, la tecnica di imaging avanzata ha scoperto un difetto superficiale, chiamato confine gemello. Ai due lati della giunzione gemella, le reti molecolari trasformarono bruscamente la loro manualità.

"Mi piace chiamare questo difetto uno specchio topologico, ed è davvero un bell'effetto, " disse Thomas. "Quando hai un confine gemello, è come guardare un riflesso in uno specchio, come ogni rete attraversa il confine, le reti cambiano mano, la destra diventa sinistra e viceversa."

Il ricercatore ha aggiunto che le conseguenze di avere un confine gemello in una struttura periodica che di per sé non ha alcuna simmetria speculare intrinseca potrebbero indurre nuove proprietà ottiche e acustiche che aprono nuove porte nell'ingegneria e nella tecnologia dei materiali.

"In biologia, sappiamo che anche un solo difetto nel DNA, una mutazione, può causare una malattia o qualche altro cambiamento osservabile in un organismo. Nel nostro studio, mostriamo un singolo difetto gemello in un materiale a doppio giroscopio, " ha detto Thomas. "La ricerca futura esplorerà per vedere se c'è qualcosa di speciale nella presenza di un piano a specchio isolato in una struttura, che altrimenti non ha simmetria speculare."