Eine neue Theorie verspricht, unsere Denkweise über Polymer-Überstrukturen neu zu gestalten

Das gaben Polymerwissenschaftler der University of Massachusetts Amherst kürzlich in der Zeitschrift bekannt Naturkommunikation dass sie ein langjähriges Rätsel gelöst haben, das eine nanoskalige Struktur umgibt, die aus Ansammlungen von Molekülen besteht, die als Doppelgyroid bezeichnet werden. Diese Form ist eine der begehrtesten für Materialwissenschaftler und hat ein breites Anwendungsspektrum; aber bis jetzt ist den Forschern ein vorhersagbares Verständnis dafür, wie sich diese Formen bilden, entgangen.

„Es gibt ein wunderbares Zusammenspiel zwischen reiner Mathematik und Materialwissenschaft“, sagt Greg Grason, der leitende Autor des Papiers und Professor für Polymerwissenschaft und -technik an der UMass Amherst. „Unsere Arbeit untersucht, wie sich Materialien selbst zu natürlichen Formen zusammenfügen.“

Diese Formen können viele Formen annehmen. Sie können einfach sein, wie eine Schicht, ein Zylinder oder eine Kugel. „Ein bisschen wie Seifenfilme“, ​​fügt Michael Dimitriyev hinzu, ein Postdoktorand in Polymerwissenschaft und -technik an der UMass Amherst und einer der Co-Autoren der Veröffentlichung. „Es gibt ein intuitives Verständnis der Formen, die Moleküle, wie die in Seife, bilden können. Was wir getan haben, ist, die verborgene Geometrie zu enthüllen, die es Polymeren ermöglicht, die doppelte Gyroidform anzunehmen.“

Wie sieht ein Doppelgyroid aus? Es ist nicht intuitiv. „Sie sind etwas zwischen einer Schicht und einem Zylinder“, sagt Abhiram Reddy, ein Postdoktorand bei Northwestern, der diese Forschung im Rahmen seines Graduiertenstudiums an der UMass Amherst und dem Hauptautor der Arbeit abgeschlossen hat. Mit anderen Worten, stellen Sie sich ein flaches Stück Fenstergitter vor – eine Schicht – und drehen Sie es dann zu einer sattelförmigen Schicht zusammen, die so in eine kubische Kiste passt, dass ihre Oberfläche so klein wie möglich bleibt. Das ist ein Gyroid. Ein Doppelgyroid liegt vor, wenn ein zweites Material, ebenfalls zu einem Gyroid gedreht, die Lücken des ersten Gyroids ausfüllt. Jedes gyroidale Material bildet ein Netzwerk von Röhren, die das andere durchdringen. Zusammen bilden sie ein enorm komplexes Material, das allseitig symmetrisch ist wie viele Kristalle, aber dennoch von labyrinthartigen Kanälen durchzogen ist, die jeweils aus unterschiedlichen molekularen Einheiten bestehen. Da dieses Material ein Hybrid aus zwei Gyroiden ist, kann es so konstruiert werden, dass es widersprüchliche Eigenschaften aufweist.

Diese Doppelgyroide kommen in der Natur vor und werden seit langem beobachtet, aber bis jetzt hat niemand wirklich herausgefunden, wie Kettenmoleküle, sogenannte Blockcopolymere, Doppelgyroide bilden können. Reddy und seine Co-Autoren bauten auf einem früheren theoretischen Modell auf, fügten eine große Dosis Thermodynamik und einen neuen Ansatz hinzu, um über das Verpackungsproblem nachzudenken – oder wie man einen endlichen Behälter am besten mit Material füllt –, der aus der Computergeometrie entlehnt und als Medial bekannt ist Karte. Da sich die Copolymere dehnen müssen, um jeden Teil der selbstorganisierten Struktur zu besetzen, erfordert das Verständnis dieser Formation das Wissen, wie die Moleküle „die Mitte“ von Formen wie Gyroiden messen, die weitaus komplexer sind als Kugeln und Zylinder. Das aktualisierte theoretische Modell des Teams erklärt nicht nur die rätselhafte Entstehung von Doppelgyroiden, sondern verspricht auch ein besseres Verständnis dafür, wie das Packungsproblem in einem viel breiteren Spektrum von selbstorganisierten Überstrukturen wie Doppeldiamanten und Doppelprimitiven oder sogar solchen Strukturen funktioniert müssen noch entdeckt werden.

Als nächstes planen die Forscher, mit Synthesechemikern zusammenzuarbeiten, um ihre Theorie mit experimentellen Daten zu verfeinern. Das Endziel besteht darin, eine Vielzahl von Materialien entwickeln zu können, die sich die Struktur des Doppelgyroids zunutze machen und dazu beitragen können, eine breite Palette von Technologien voranzutreiben, von wiederaufladbaren Batterien bis hin zu lichtreflektierenden Beschichtungen.