柔軟的雙螺旋狀晶體是獨(dú)特但不完美的晶體

看似不可能復(fù)雜的迷宮實(shí)際上非常簡(jiǎn)單。兩個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的迷宮交織在一起但沒有觸及，卻講述了一個(gè)不同的故事。

現(xiàn)在想象一下它們是在納米級(jí)上由軟晶體制成的。萊斯大學(xué)布朗工程學(xué)院的材料科學(xué)家內(nèi)德·托馬斯(Ned Thomas)所做的比想象的要多，他和他的實(shí)驗(yàn)室逐層制作并分析了它們。

托馬斯(Thomas)和他的團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上報(bào)告了他們對(duì)軟質(zhì)雙螺旋陀螺的描述。他們?cè)虝旱卣J(rèn)為這將是一個(gè)完美的雙螺旋，其彎曲的節(jié)點(diǎn)和桿的布置無限重復(fù)。他們發(fā)現(xiàn)，他們希望的立方結(jié)構(gòu)充滿了扭曲。

陀螺是一種基于三重周期性最小表面的晶體，這種幾何結(jié)構(gòu)使其重復(fù)形式可以永久地(或至少直到受到約束)在三個(gè)維度上散布。它們有時(shí)是在自然界中發(fā)現(xiàn)的。例如，陀螺使蝴蝶的翅膀呈虹彩。

科學(xué)家和工程師有興趣，因?yàn)樗麄兗裙獠ê吐暡ㄖg的交互方式螺旋體，有前途的納米材料具有新穎特性。陀螺的形狀決定了波浪如何以及是否會(huì)傳遞到另一側(cè)。這樣，該材料可能對(duì)某些波或其他波長(zhǎng)的反射器不可見。

值得注意的是，最初溶解在溶液中的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚苯乙烯的化學(xué)結(jié)合會(huì)自組裝成雙螺旋狀，兩個(gè)不同的PDMS網(wǎng)絡(luò)彼此圍繞跳舞而不會(huì)碰觸。

雙重陀螺儀甚至可以更容易調(diào)諧，因?yàn)槭姑總€(gè)網(wǎng)絡(luò)不同的材料可能對(duì)信號(hào)產(chǎn)生不同的影響。所有這些都基于晶胞結(jié)構(gòu)是完美的立方體。

令人遺憾的是，組裝成嵌段共聚物的柔軟的雙螺旋狀陀螺儀并非如此。托馬斯(Thomas)，主要作者和博士后研究員薛雪峰(Xueyan Feng)及其同事認(rèn)為。

托馬斯說：“我們將回旋網(wǎng)絡(luò)稱為紅色和藍(lán)色，但實(shí)際上它們是相同的化合物PDMS，”他說，他獲得了納米結(jié)構(gòu)的3D模型。“它們之間的物質(zhì)是苯乙烯，而且苯乙烯比紅色和藍(lán)色更多。”

如果嵌入在每個(gè)陀螺儀中的3-D圖案的基本重復(fù)是一個(gè)完美的立方體，那將使該材料對(duì)應(yīng)于230號(hào)，這是一個(gè)百年歷史的空間群列表中最后一個(gè)可能的結(jié)構(gòu)，它將所有可能的3他說-D材料的配置。

“礦物學(xué)家和數(shù)學(xué)家對(duì)例如為什么石英晶體具有對(duì)稱性感興趣時(shí)就創(chuàng)建了此列表，并弄清了對(duì)稱元素的所有空間排列方式：平移，旋轉(zhuǎn)，反射，反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)反射，螺絲和滑行，”托馬斯說。“只有230種方法可以將它們以自洽的方式組合在一起。

他說：“我的小組是1994年第一個(gè)在嵌段共聚物中發(fā)現(xiàn)230號(hào)的人，但事實(shí)證明，它形成時(shí)實(shí)際上并不是精確的立方，而且直到現(xiàn)在還沒有人知道。”

這揭示了整個(gè)結(jié)構(gòu)的晶界，該晶界是當(dāng)雙螺旋形在溶液中的各個(gè)位置成核并聚集在一起而失去對(duì)準(zhǔn)時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)交叉點(diǎn)處造成不匹配的現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)實(shí)際的晶胞不是最高的對(duì)稱性(立方)，而是最低的：三斜晶細(xì)胞，雖然在給定的晶粒內(nèi)恒定，但在整個(gè)結(jié)構(gòu)中隨晶粒的不同而變化。托馬斯說，這導(dǎo)致整體外觀為“平均立方”，而實(shí)際上，對(duì)稱性明顯偏離了立方。

他說：“人們用來制造這些材料的起始聚合物溶液主要是溶劑，當(dāng)它蒸發(fā)并開始形成結(jié)構(gòu)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)收縮。” “如果它在各個(gè)方向上均勻地收縮，那是可以的，但事實(shí)并非如此。收縮力會(huì)擠壓不同的晶粒和不同的方向，因此出現(xiàn)變形也就不足為奇了。”

托馬斯說，這意味著當(dāng)嵌段聚合物分子以這種方式拉動(dòng)并達(dá)到其最小的能量結(jié)合狀態(tài)時(shí)，晶胞就破壞了對(duì)稱性。

“最重要的是，如果您打算將它們用作帶隙的立方光子和聲子晶體，而這些晶體都是基于一個(gè)完美的，無限的立方晶格中的一個(gè)完美的立方結(jié)構(gòu)來計(jì)算的，那么您還會(huì)遇到另一件事。”他說。“除非你弄清楚一些新的生長(zhǎng)技術(shù)，否則你不能通過實(shí)驗(yàn)來做到這一點(diǎn)。”

馮說，盡管如此，賴斯實(shí)驗(yàn)室正在努力創(chuàng)造立方體。他說：“關(guān)閉重力會(huì)有所幫助，或者使它們進(jìn)入太空。” 但是，如果沒有這些選擇，研究人員正在尋找一種在各個(gè)方向上蒸發(fā)溶液以減輕材料上方向性應(yīng)力的技術(shù)。

托馬斯說：“自然界不了解手性，數(shù)學(xué)或空間群。” “但令人著迷的是，這些分子足夠聰明地做到這一點(diǎn)。”