Dans de nouvelles recherches, Des scientifiques de l'Université Texas A&M ont pour la première fois révélé un seul défaut microscopique appelé "jumeau" dans un copolymère à blocs souples à l'aide d'une technique de microscopie électronique avancée. Ce défaut pourrait être exploité à l'avenir pour créer des matériaux dotés de nouvelles propriétés acoustiques et photoniques.

"Ce défaut est comme un cygne noir - quelque chose de spécial se passe qui n'est pas typique, " a déclaré le Dr Edwin Thomas, professeur au Département de science et génie des matériaux. "Bien que nous ayons choisi un certain polymère pour notre étude, Je pense que le défaut jumeau sera assez universel à travers un tas de systèmes de matière molle similaires, comme les huiles, tensioactifs, matériaux biologiques et polymères naturels. Par conséquent, nos résultats seront précieux pour diverses recherches dans le domaine de la matière molle. »

Les résultats de l'étude sont détaillés dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

Les matériaux peuvent être classés en gros comme matière dure ou matière molle. Matériaux durs, comme les alliages métalliques et les céramiques, ont généralement un arrangement d'atomes très régulier et symétrique. Plus loin, en matière dure, des groupes ordonnés d'atomes s'organisent en blocs de construction nanoscopiques, appelées cellules unitaires. Typiquement, ces cellules unitaires ne sont composées que de quelques atomes et s'empilent pour former le cristal périodique. La matière molle peut également former des cristaux constitués de cellules unitaires, mais maintenant le modèle périodique n'est pas au niveau atomique; il se produit à une échelle beaucoup plus grande à partir d'assemblages de grosses molécules.

En particulier, pour un copolymère dibloc A-B, une sorte de matière molle, le motif moléculaire périodique comprend deux chaînes liées :une chaîne d'unités A et une chaîne d'unités B. Chaque chaîne, appelé un bloc, a des milliers d'unités liées entre elles et un cristal mou se forme par agrégation sélective des unités A en domaines et des unités B en domaines qui forment d'énormes cellules unitaires par rapport à la matière dure.

Une autre différence notable entre les cristaux mous et durs est que les défauts structurels ont été beaucoup plus étudiés dans la matière dure. Ces imperfections peuvent se produire à un seul emplacement atomique dans le matériau, appelé défaut ponctuel. Par exemple, des défauts ponctuels dans l'arrangement périodique des atomes de carbone dans un diamant dus aux impuretés d'azote créent l'exquis diamant jaune "canari". En outre, les imperfections des cristaux peuvent être allongées en tant que défaut de ligne ou s'étendre sur une zone en tant que défaut de surface.

Dans l'ensemble, les défauts dans les matériaux durs ont été largement étudiés à l'aide de techniques avancées d'imagerie électronique. Mais afin de pouvoir localiser et identifier les défauts dans leurs cristaux mous de copolymères à blocs, Thomas et ses collègues ont utilisé une nouvelle technique appelée microscopie électronique à balayage en coupe et vue. Cette méthode a permis aux chercheurs d'utiliser un fin faisceau d'ions pour couper une très fine tranche du matériau mou, puis ils ont utilisé un faisceau d'électrons pour imager la surface sous la tranche, puis trancher à nouveau, image à nouveau, encore et encore. Ces tranches ont ensuite été empilées numériquement pour obtenir une vue 3D.

Pour leur analyse, ils ont étudié un copolymère dibloc constitué d'un bloc polystyrène et d'un bloc polydiméthylsiloxane. Au niveau microscopique, une maille élémentaire de ce matériau présente un motif spatial de la forme dite "double gyroïde", un complexe, structure périodique constituée de deux réseaux moléculaires entrelacés dont l'un a une rotation à gauche et l'autre, une rotation à droite.

Alors que les chercheurs ne recherchaient activement aucun défaut particulier dans le matériau, la technique d'imagerie avancée a mis en évidence un défaut de surface, appelé frontière jumelle. De part et d'autre de la jonction jumelle, les réseaux moléculaires ont brusquement transformé leur maniabilité.

"J'aime appeler ce défaut un miroir topologique, et c'est un effet vraiment chouette, " dit Thomas. " Quand vous avez une frontière jumelle, c'est comme regarder un reflet dans un miroir, au fur et à mesure que chaque réseau franchit la frontière, les réseaux changent de main, la droite devient la gauche et vice versa."

Le chercheur a ajouté que les conséquences d'avoir une frontière jumelle dans une structure périodique qui n'a pas en soi de symétrie de miroir inhérente pourraient induire de nouvelles propriétés optiques et acoustiques qui ouvrent de nouvelles portes dans l'ingénierie et la technologie des matériaux.

« En biologie, nous savons que même un seul défaut dans l'ADN, une mutation, peut provoquer une maladie ou un autre changement observable dans un organisme. Dans notre étude, nous montrons un simple défaut jumeau dans un matériau à double gyroïde, " a déclaré Thomas. " Les recherches futures exploreront pour voir s'il y a quelque chose de spécial à propos de la présence d'un plan miroir isolé dans une structure, qui autrement n'a pas de symétrie miroir."