«Если вам нужен блок-сополимер, обладающий определенным свойством, вы выбираете правильную фазу для конкретной области применения», – объяснил Крис Бейтс, доцент кафедры материаловедения инженерного колледжа Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. «Для резины в обуви вам нужна одна фаза; чтобы сделать мембрану, вам нужна другая."
В простейших блок-сополимерах обнаружено всего около пяти фаз. Обнаружение новой фазы происходит редко, но Бейтс и группа других исследователей Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, включая профессоров Гленна Фредриксона (химическая инженерия) и Крейга Хокера (материалы), Моргана Бейтса, штатного научного сотрудника и помощника директора по технологиям в Институте материалов Dow в Университете Калифорнии в Калифорнии. , и постдокторант Джошуа Лекьё сделали именно это.
Их выводы опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Около 12 месяцев назад Морган Бейтс проводила экспериментальную работу с полимерами, которые она синтезировала в лаборатории, в попытке, по ее словам, «понять фундаментальные параметры, которые управляют самосборкой блок-сополимеров, исследуя, что происходит, когда вы настраиваете блок. химия."
По словам Криса Бейтса, существуют бесконечные возможности для химии блоков «А» и «В». «Современная синтетическая химия позволяет нам выбрать практически любой тип полимера A и связать его с другим блоком B», – сказал он. "Учитывая это обширное пространство для дизайна, настоящая проблема состоит в том, чтобы выяснить самые важные ручки, чтобы повернуть этот элемент управления самосборкой."
Морган Бейтс пытался понять взаимосвязь между химией и структурой.
«Я химически изменила параметр, связанный с так называемой« конформационной асимметрией », который описывает, как два блока заполняют пространство», – вспоминала она о процессе, который привел к открытию. "Мы не обязательно пытались найти новую фазу, но думали, что, возможно, мы обнаружим какое-то новое поведение.
В этом случае блоки A и B, которые ковалентно связаны вместе, заполняют пространство по-разному, и это, по-видимому, является основным параметром, который приводит к некоторой уникальной самосборке."
После создания блок-сополимеров она отправила их в усовершенствованный источник фотонов в Аргоннской национальной лаборатории, штат Иллинойс, где для их характеристики использовалась техника, называемая «малоугловое рассеяние рентгеновских лучей». Процесс дает двумерную сигнатуру рассеянных рентгеновских лучей, расположенных в концентрических кольцах. Относительное расположение и интенсивность колец указывает на конкретную фазу.
Моргану нужно было поехать в национальную лабораторию, потому что для этого нужны рентгеновские лучи более мощные, чем те, которые могут быть получены в кампусе.
После этой работы, как сказал Крис Бейтс: «Используя знания кристаллографии, вы можете интерпретировать данные рассеяния и создать изображение, как если бы вы смотрели на структуру своим глазом. И в данном случае данные были такого высокого качества, что мы смогли сделать это однозначно."
Морган Бейтс вспомнила, что когда она изучила рентгеновский снимок, одно было безошибочно ясно: «Он выглядел по-другому. Я подумал, что это?’"
Конечно, это была их недавно открытая фаза, известная как A15. «С этими типами блок-сополимеров AB существует лишь несколько фаз, которые люди наблюдали ранее, и мы нашли еще одну, которая добавляет к палитре возможных вариантов с точки зрения дизайна», – сказал Крис.
«Среди способов категоризации структур эта фаза относится к классу, известному как« тетраэдрически плотно упакованные », – добавил Лекье, эксперт по компьютерному моделированию, который моделировал фазовое поведение полимеров. «Фаза, которую мы обнаружили в блок-сополимерах, была впервые обнаружена в 1931 году с аллотропом [или формой] вольфрама. Но в этом случае A15 образуется из атомов металла, которые создают очень маленькую структуру в масштабе атомной длины. Наши блок-сополимеры имеют ту же структуру, но в масштабе на два порядка больше, и, конечно же, не задействованы атомы металлов.
«Если бы вы посмотрели на них обоих в микроскоп, – продолжил он, – их структуры выглядели бы одинаково, но только в разных размерах. Удивительно, что природа решила использовать одни и те же структурные мотивы для совершенно разных материалов, имеющих совершенно разные химические и физические свойства."
Проект демонстрирует легкость и склонность к сотрудничеству исследователей Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Все началось с новой химии, разработанной Хокером и Бейтсом для настройки свойств материалов, за которой последовали неожиданные результаты характеризации Моргана. «Оттуда мы пошли к Джошу и сказали ему, что в экспериментах есть что-то странное, чего мы не ожидали, и спросили его, почему», – сказал Крис Бейтс. Затем Лекье работал с Фредриксоном над компьютерным моделированием.
«В этом проекте было действительно много приятных моментов», – сказал Лекье. "Был проведен эксперимент, который было сложно понять, поэтому мы провели моделирование, чтобы объяснить его.
Затем Морган провел больше экспериментов, опираясь на результаты начального моделирования, и заметил, что вычисления действительно были предсказательными. Фазы, наблюдаемые экспериментально, проявились именно там, где, согласно расчетам моделирования, они могли бы произойти. Однако в некоторых местах эксперименты и моделирование расходились, поэтому мы выполняли итерации несколько раз, чтобы улучшить модели и действительно понять все тонкости."
«Двигаясь вперед, – добавил Крис Бейтс, – наша команда продолжает интегрировать синтез материалов и теорию в поисках более уникального фазового поведения."
Лекье описал цикл обратной связи от эксперимента к моделированию, теории и обратно как «своего рода мечту современного материаловедения.
Чтобы сделать эти образцы, Моргану потребуется много работы. Гораздо проще, если кто-то предсказывает результаты на компьютере и может сказать: «Вот подмножество полимеров, которые нужно синтезировать, которые должны сформировать желаемую структуру.Этот так называемый подход «обратного дизайна» экономит ей много времени и сил."
С точки зрения природы, использующей предпочтительный дизайн для материалов, не связанных друг с другом, стоит отметить немного истории.
В 1887 году лорд Кельвин – один из представителей одноименной единицы абсолютной температуры – работал над тем, что позже стало известно как «проблема Кельвина»."Это была попытка определить, как пространство может быть разделено на ячейки равного объема с наименьшей площадью поверхности между ними. Предложенное им решение, которое показало наиболее эффективную пузырчатую пену, стало известно как "структура Кельвина"."
Так продолжалось около ста лет, но в 1994 году было показано, что это неверно. Кельвин выбрал то, что можно было бы назвать «Структурой А», но группа британских ученых показала, что «Структура Б» была даже лучше.
С тех пор структура B приобрела известность в научных кругах и даже за их пределами, появившись, например, в виде гигантских пузырей, которые служат как функциональными архитектурными элементами, так и элементами дизайна на крыше Пекинского национального центра водных видов спорта, построенного в 2008 году. Олимпиада.
Оказывается, новая фаза, открытая исследователями в этом проекте, A15, – это структура B, что еще раз подтверждает, что природе нравится ранее успешный дизайн.