Ученые-полимерщики из Массачусетского университета в Амхерсте недавно объявили в журнале Nature Communications, что они разгадали давнюю загадку, связанную с наноразмерной структурой, образованной совокупностью молекул, называемой двойным гироидом. Эта форма является одной из самых желанных для материаловедов и имеет широкий спектр применений; но до сих пор предсказуемое понимание того, как формируются эти формы, ускользало от исследователей.
«Существует прекрасное взаимодействие между чистой математикой и материаловедением», — говорит Грег Грейсон, старший автор статьи и профессор полимероведения и инженерии в Университете Массачусетса в Амхерсте. «Наша работа исследует, как материалы самособираются в естественные формы».
Эти формы могут принимать различные формы. Они могут быть простыми, как слой, цилиндр или сфера. «Немного похоже на мыльные пленки», — добавляет Майкл Димитриев, исследователь с докторской степенью в области науки и техники полимеров в Университете Массачусетса в Амхерсте и один из соавторов статьи. «Существует интуитивное понимание форм, которые могут образовывать молекулы, такие как молекулы мыла. Что мы сделали, так это раскрыли скрытую геометрию, которая позволяет полимерам принимать форму двойного гироида».
Как выглядит двойной гироид? Это не интуитивно. «Это что-то среднее между слоем и цилиндром», — говорит Абхирам Редди, научный сотрудник Северо-Западного университета, который завершил это исследование в рамках своей аспирантуры в Массачусетском университете в Амхерсте, и ведущий автор статьи. Другими словами, представьте себе плоский кусок оконной сетки — слой — и затем скрутите его в седловидный слой, который помещается в кубическую коробку таким образом, чтобы площадь его поверхности оставалась минимально возможной. Это гироид. Двойной гироид — это когда второй материал, также скрученный в гироид, заполняет пробелы в первом гироиде. Каждый гироидальный материал образует сеть трубок, которые проникают друг в друга. Вместе они образуют чрезвычайно сложный материал, симметричный со всех сторон, как и многие кристаллы ., но пронизан лабиринтными каналами, каждый из которых сформирован из разных молекулярных единиц. Поскольку этот материал представляет собой гибрид двух гироидов, он может обладать противоречивыми свойствами.
Эти двойные гироиды существуют в природе и давно наблюдаются, но до сих пор никто не понял, как цепные молекулы, известные как блок-сополимеры ,, умеете формировать двойные гироиды. Редди и его соавторы построили предыдущую теоретическую модель, добавив большую дозу термодинамики и новый подход к размышлению о проблеме упаковки — или о том, как лучше всего заполнить конечный контейнер материалом — заимствованный из вычислительной геометрии и известный как медиальная модель. карта. Поскольку сополимеры должны растягиваться, чтобы занять каждую часть самособирающейся структуры, понимание этого образования требует знания того, как молекулы «измеряют середину» форм, таких как гироиды, которые намного сложнее, чем сферы и цилиндры. Обновленная теоретическая модель группы не только объясняет загадочное образование двойных гироидов, но и обещает понять, как проблема упаковки работает в гораздо более широком наборе самособирающихся надстроек, таких как двойные ромбы и двойные примитивы.
Затем исследователи планируют сотрудничать с химиками-синтетиками, чтобы начать уточнение своей теории с помощью экспериментальных данных. Конечная цель состоит в том, чтобы иметь возможность разрабатывать широкий спектр материалов, которые используют преимущества структуры двойного гироида и могут помочь в развитии широкого спектра технологий, от перезаряжаемых батарей до светоотражающих покрытий.
