Ce qui semble être un labyrinthe incroyablement compliqué est en fait assez simple. Deux labyrinthes compliqués, entrelacés mais pas touchants, raconter une histoire différente.

Imaginez-les maintenant à l'échelle nanométrique et faites de cristaux mous. Le scientifique des matériaux Ned Thomas de la Brown School of Engineering de l'Université Rice a fait plus que l'imaginer :lui et son laboratoire les ont fabriqués et analysés, tranche par tranche nano.

Thomas et son équipe rapportent La nature leur caractérisation d'un double gyroïde de matière molle. Ce qu'ils pensaient brièvement serait un double gyroïde parfait, sa disposition incurvée de nœuds et de tiges se répétant à l'infini, ne devait pas être. Au lieu de cela, ils ont découvert que leur construction cubique espérée était pleine de distorsions.

Un gyroïde est un cristal basé sur des surfaces minimales triplement périodiques, une géométrie qui permet à sa forme répétitive de s'étendre en trois dimensions pour toujours (ou au moins jusqu'à ce qu'elle soit contrainte). On les trouve parfois dans la nature; par exemple, les gyroïdes donnent aux ailes de papillon leur irisation.

Les scientifiques et les ingénieurs s'intéressent aux gyroïdes en raison de la façon dont ils interagissent avec les ondes lumineuses et sonores, matériaux prometteurs à l'échelle nanométrique avec de nouvelles propriétés. La forme du gyroïde dicte comment et même si une onde passera de l'autre côté. De cette façon, le matériau peut être invisible à certaines vagues, ou un réflecteur d'autres longueurs d'onde.

Remarquablement, l'association chimique du polydiméthylsiloxane (PDMS) et du polystyrène, initialement dissous dans une solution, s'auto-assemble en un double gyroïde, avec deux réseaux PDMS distincts dansant l'un autour de l'autre sans jamais se toucher.

Un double gyroïde peut être encore plus accordable, car des matériaux distincts constituant chaque réseau pourraient affecter les signaux différemment. Tout cela repose sur le fait que la structure de la cellule unitaire est un cube parfait.

Malheureusement, les doubles gyroïdes mous qui s'assemblent en un copolymère séquencé ne le sont pas, selon Thomas, auteur principal et chercheur postdoctoral Xueyan Feng et leurs collègues.

"Nous appelons les réseaux gyroïdes rouge et bleu, mais ce sont en fait le même composé chimique, PDMS, " dit Thomas, ramasser des modèles 3-D des structures à l'échelle nanométrique. "Le truc entre eux est du styrène, et il y a plus de styrène que de rouge et de bleu."

Si la répétition de base du motif 3-D intégré dans chaque gyroïde était un cube parfait, qui aurait fait correspondre le matériel au n° 230, la dernière structure possible sur la liste centenaire des groupes d'espaces qui catégorise toutes les configurations 3D possibles des matériaux, il a dit.

"Les minéralogistes et les mathématiciens ont créé cette liste lorsqu'ils se sont intéressés à, par exemple, pourquoi les cristaux de quartz ont la symétrie qu'ils ont et ont compris tous les arrangements spatiaux des éléments de symétrie :translation, rotation, réflexion, renversement, roto-inversion, roto-réflexion, visser et glisser, " a déclaré Thomas. "Il n'y a que 230 façons de les assembler de manière cohérente.

"Et mon groupe a été le premier à trouver le n°230 dans les copolymères à blocs en 1994, mais il s'avère qu'il n'est pas précisément cubique lorsqu'il s'est formé - et personne ne le savait jusqu'à présent, " il a dit.

Avec l'aide du Centre de microscopie électronique du riz, les chercheurs ont adapté un microscope électronique pour imager alternativement, puis utiliser un faisceau d'ions pour retirer doucement une tranche de 3 nanomètres d'un bloc à double gyroïde. Ils l'ont fait des centaines de fois sur une très grande surface, permettant de reconstruire un volume énorme de la structure à double gyroïde en haute résolution.

Cela a révélé des joints de grains dans toute la structure, formé lorsque le double gyroïde a nucléé à divers endroits en solution et s'est désaligné, forcer l'inadéquation aux intersections du réseau. Ils ont découvert que la cellule unitaire réelle n'était pas la symétrie la plus élevée possible (cubique), mais était la plus basse :une cellule triclinique qui, tout en étant constant dans un grain donné, varie d'un grain à l'autre dans toute la structure. Cela a conduit à l'apparence générale d'un "cube moyen, " Thomas dit, alors qu'en réalité, la symétrie était significativement déformée par rapport au cube.

"La solution de polymère de départ que les gens utilisent pour fabriquer ces matériaux est principalement un solvant, et quand il s'évapore et que la structure commence à se former, le système global se rétrécit, " dit-il. " S'il rétrécit uniformément dans toutes les directions, ce serait bien, mais ce n'est pas le cas. Différents grains et différentes orientations sont écrasés par les forces de retrait, donc ça ne devrait pas être une surprise d'avoir des distorsions."

Cela signifie que les cellules unitaires brisent la symétrie lorsque les molécules de polymère séquencé tirent dans ce sens et cela pour atteindre leurs états de liaison énergétique minimaux, dit Thomas.

"En fin de compte, si vous envisagez de les utiliser comme cristaux photoniques et phononiques cubiques avec des bandes interdites, qui sont tous calculés sur la base d'une structure cubique parfaite dans un parfait, infini, réseau cubique, tu as autre chose qui arrive, " a-t-il dit. " Vous ne pouvez pas faire cela expérimentalement à moins de découvrir de nouvelles techniques de croissance. "

Néanmoins, le Rice lab travaille sur des créations cubiques, dit Feng. « Désactiver la gravité aiderait, ou les faire dans l'espace, " dit-il. Mais sans ces options, les chercheurs recherchent une technique pour évaporer la solution dans toutes les directions afin de soulager la contrainte directionnelle sur le matériau.

"La nature ne connaît pas la chiralité, les mathématiques ou les groupes spatiaux, ", a déclaré Thomas. "Mais c'est fascinant que ces molécules soient assez intelligentes pour le faire."