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软物质中首现“黑天鹅”缺陷

phys.org网站当地时间5月19日报道,美国德州农工大学的科学家们利用一种先进的电子显微镜技术,首次揭示了柔性嵌段共聚物中的“孪晶界”单一微观缺陷。未来,该发现也许能推动新型声学、光子材料的制造。相关研究成果刊登在《美国国家科学院院刊》中。

(A)2D晶粒的扫描电镜图像;(B)边界平面的3D透视图;(C)三维实验重构;(D)边界平面切片图像。

材料科学与工程教授Edwin Thomas博士说:“孪晶界缺陷就像一只黑天鹅,它是一种特殊现象。虽然我们的研究针对的是某种特定聚合物,但我认为这种黑天鹅缺陷在生物材料、天然聚合物等软物质系统中是普遍存在的。因此,新发现对于软物质领域的多样化研究极具价值。”

物质可被粗分为硬物质和软物质两类。硬质材料(如金属合金和陶瓷)通常具有非常规则、对称的原子排布。有序的原子群排列成纳米级构筑块(晶胞),而晶胞堆叠在一起形成周期性晶体。软物质也可以是晶胞晶体,但不具备原子水平的周期模式,而是更大规模的大分子集合。尤其对于A-B双嵌段共聚物而言,其周期性分子是由相互连接的单元链A和单元链B组成的。软晶体通过选择性地将A单元和B单元聚集成畴,形成巨型晶胞。

软晶体与硬晶体的另一个显著区别在于,研究人员对硬物质中结构缺陷的研究更为深入、广泛。这些缺陷可以出现在材料中的单原子位置(点缺陷)。例如,由于氮杂质的存在,钻石中的碳原子周期性排列出现点缺陷,进而形成了精美的黄钻。此外,晶体中的点缺陷可以拉长为线缺陷,也可能作为表面缺陷在某块区域内扩散。

为了识别嵌段共聚物软晶体中的缺陷,Thomas团队使用了切片扫描电子显微镜技术。他们用精细的粒子束切割软材料,然后用电子束对切下的薄片进行表面成像,最终获取了材料的3D视图。分析对象是一种由聚苯乙烯嵌段和聚二甲基硅氧烷嵌段组成的双嵌段共聚物。在微观层面上,共聚物的晶胞呈现出了一种“双回旋”状的空间模式。这是一种由两个相互缠绕的分子网络构成的复杂周期性结构。两个分子网络分别具有左旋和右旋特征。

先进的成像技术让研究人员意外发现了一种表面缺陷――孪晶界。在孪结点的另一侧,分子网络突然改变了它们的旋向性。Thomas说:“我喜欢称这种缺陷为拓扑镜。孪晶界具有非常巧妙的镜像效果,当网络穿越界面时,其左右手性就互换了。周期结构中出现孪晶界,但其本身并不具备任何固有镜像对称性。这可能诱导出奇特的光学和声学特性,为材料工程和技术打开新大门。在生物学中,即便DNA仅仅出现一处缺陷或者突变,也能导致疾病或使生物体产生可见变化。在本次研究中,我们在双螺旋材料中发现了单一孪生缺陷。下一阶段,我们将探索结构中孤立镜像平面的存在是否具有独特之处。”

科界原创

编译:雷鑫宇

审稿:西莫

责编:陈之涵

期刊来源:《美国国家科学院院刊》

期刊编号:0027-8424

原文链接:

https://phys.org/news/2021-05-unexpected-black-swan-defect-soft.html

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