То, что кажется невероятно сложным лабиринтом, на самом деле довольно просто. Два сложных лабиринта, переплетенных, но не соприкасающихся друг с другом, рассказывают другую историю.
А теперь представьте их в наномасштабе и сделанные из мягких кристаллов. Ученый-материаловед Нед Томас из Инженерной школы Брауна Университета Райса сделал больше, чем мог себе представить - он и его лаборатория изготовили и проанализировали их, кусочек за кусочком нано.
Томас и его команда сообщают в Nature о своей характеристике двойного гироида из мягкой материи. То, что они кратко считали идеальным двойным гироидом, его изогнутое расположение узлов и стержней, повторяющееся до бесконечности, не должно было быть. Вместо этого они обнаружили, что их долгожданная кубическая конструкция полна искажений.
Гироид - это кристалл, основанный на трижды периодических минимальных поверхностях, геометрия, которая позволяет его повторяющейся форме распространяться в трех измерениях навсегда (или, по крайней мере, до ограничения). Иногда они встречаются в природе; например, гироиды придают крыльям бабочки переливчатость.
Ученых и инженеров интересуют гироиды из-за того, как они взаимодействуют как со световыми, так и со звуковыми волнами, обещая наноразмерные материалы с новыми свойствами. Форма гироида определяет, как и даже пройдет ли волна на другую сторону. Таким образом, материал может быть невидимым для некоторых волн или отражателем других длин волн.
Примечательно, что химическая комбинация полидиметилсилоксана (ПДМС) и полистирола, первоначально растворенная в растворе, самостоятельно собирается в двойной гироид с двумя отдельными сетями ПДМС, танцующими вокруг друг друга, никогда не соприкасаясь.
Двойной гироид может быть еще более настраиваемым, поскольку разные материалы, из которых состоит каждая сеть, могут по-разному влиять на сигналы. Все это основано на том, что структура элементарной ячейки представляет собой совершенный куб.
К сожалению, мягкие двойные гироиды, которые собираются в блок-сополимер, не являются, по словам Томаса, ведущего автора и докторанта Сюэянь Фэна и их коллег.
«Мы называем гироидные сети красной и синей, но на самом деле они представляют собой одно и то же химическое соединение, PDMS», - сказал Томас, поднимая 3D-модели наноразмерных структур. «Между ними находится стирол, а стирола больше, чем красного и синего».
Если бы базовое повторение трехмерного узора, встроенного в каждый гироид, было идеальным кубом, это сделало бы материал соответствующим No.230, последняя возможная структура в вековом списке пространственных групп, который классифицирует все возможные трехмерные конфигурации материалов, сказал он.
Минералоги и математики создали этот список, когда они заинтересовались, например, почему кристаллы кварца обладают такой симметрией, и выяснили все пространственные расположения элементов симметрии: перемещение, вращение, отражение, инверсию, рото- инверсия, рото-отражение, винт и скольжение», - сказал Томас. «Есть только 230 способов соединить их самосогласованным образом.
«И моя группа была первой, кто нашел номер 230 в блок-сополимерах в 1994 году, но оказалось, что он на самом деле не совсем кубический, когда он формируется - и никто не знал об этом до сих пор», - сказал он.
С помощью Центра электронной микроскопии Райса исследователи адаптировали электронный микроскоп для альтернативного изображения, а затем использовали ионный луч, чтобы осторожно удалить 3-нанометровый срез из блока двойного гироида. Они делали это сотни раз на очень большой площади, что позволило реконструировать огромный объем двойной гироидной структуры с высоким разрешением.
Это выявило границы зёрен по всей структуре, образовавшиеся, когда двойной гироид зародился в разных местах в растворе и соединился не выровненным, вызвав несоответствие на пересечениях сети. Они обнаружили, что фактическая элементарная ячейка не имеет наивысшей возможной симметрии (кубической), а является самой низкой: триклинная ячейка, которая, хотя и постоянна в пределах данного зерна, варьируется от зерна к зерну по всей структуре. Это привело к общему виду «средней кубической формы», сказал Томас, в то время как на самом деле симметрия была значительно искажена по сравнению с кубической.
«Исходный полимерный раствор, который люди используют для изготовления этих материалов, в основном состоит из растворителя, и когда он испаряется и начинает формироваться структура, вся система сжимается», - сказал он. «Если бы он сжимался равномерно во всех направлениях, это было бы нормально, но это не так. Разные зерна и разная ориентация сдавливаются под действием усадочных сил, поэтому не должно быть сюрпризом получение искажений».
Это означает, что элементарные ячейки нарушают симметрию, когда молекулы блок-полимера тянутся туда-сюда, чтобы достичь состояния связи с минимальной энергией, сказал Томас.
Суть в том, что если вы планируете использовать их в качестве кубических фотонных и фононных кристаллов с запрещенной зоной, которые рассчитываются на основе идеальной кубической структуры в идеальной бесконечной кубической решетке, у вас есть грядет другое, - сказал он. «Вы не сможете сделать это экспериментально, пока не разработаете новые методы выращивания».
Тем не менее, лаборатория Райса работает над кубическими творениями, сказал Фэн. «Помогло бы отключение гравитации или создание их в космосе», - сказал он. Но без этих вариантов исследователи ищут способ испарения раствора во всех направлениях, чтобы уменьшить направленную нагрузку на материал.
«Природа ничего не знает о хиральности, математике или пространственных группах, - сказал Томас. «Но удивительно, что эти молекулы достаточно умны, чтобы делать это».