18.05.2022 - University of Massachusetts Amherst

Neue Theorie könnte unser Verständnis von Polymer-Superstrukturen neu definieren

Wissenschaftler können jetzt genau vorhersagen, wie sich Doppel-Gyroidennetze bilden

Polymerwissenschaftler der University of Massachusetts Amherst haben kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications bekannt gegeben, dass sie ein langjähriges Rätsel um eine aus Molekülansammlungen gebildete Struktur im Nanomaßstab, ein so genanntes Doppelgyroid, gelöst haben. Diese Form ist eine der begehrtesten für Materialwissenschaftler und hat eine breite Palette von Anwendungen; aber bis jetzt ist es den Forschern nicht gelungen, ein vorhersehbares Verständnis dafür zu entwickeln, wie diese Formen entstehen.

"Es gibt ein wunderbares Zusammenspiel zwischen reiner Mathematik und Materialwissenschaft", sagt Greg Grason, der Hauptautor der Studie und Professor für Polymerwissenschaft und -technik an der UMass Amherst. "Unsere Arbeit untersucht, wie sich Materialien selbst zu natürlichen Formen zusammensetzen.

Diese Formen können viele Gestalten annehmen. Sie können einfach sein, wie eine Schicht, ein Zylinder oder eine Kugel. "Ein bisschen wie Seifenfilme", fügt Michael Dimitriyev hinzu, ein Postdoktorand im Bereich Polymerwissenschaft und -technik an der UMass Amherst und einer der Mitautoren der Arbeit. "Es gibt ein intuitives Verständnis der Formen, die Moleküle, wie die in Seife, bilden können. Wir haben die verborgene Geometrie aufgedeckt, die es den Polymeren ermöglicht, die Form eines Doppelgyroids anzunehmen."

Wie sieht ein Doppel-Gyroid aus? Das ist nicht intuitiv. "Sie sind etwas zwischen einer Schicht und einem Zylinder", sagt Abhiram Reddy, ein Postdoktorand an der Northwestern University, der diese Forschung im Rahmen seines Studiums an der UMass Amherst durchgeführt hat und der Hauptautor der Studie ist. Mit anderen Worten: Stellen Sie sich ein flaches Stück Fensterglas vor - eine Schicht - und verdrehen Sie es dann zu einer sattelförmigen Schicht, die so in einen kubischen Kasten passt, dass ihre Oberfläche so klein wie möglich bleibt. Das ist ein Gyroid. Von einem Doppelkreisel spricht man, wenn ein zweites Material, das ebenfalls zu einem Kreisel verdreht ist, die Lücken im ersten Kreisel ausfüllt. Jedes gyroidale Material bildet ein Netz von Röhren, die das andere durchdringen. Zusammen bilden sie ein enorm komplexes Material, das sowohl auf allen Seiten symmetrisch ist, wie viele Kristalle, als auch von labyrinthartigen Kanälen durchzogen ist, die jeweils aus verschiedenen molekularen Einheiten bestehen. Da es sich bei diesem Material um ein Hybrid aus zwei Kreiseln handelt, kann es so gestaltet werden, dass es widersprüchliche Eigenschaften aufweist.

Diese Doppelkreisel kommen in der Natur vor und werden seit langem beobachtet, aber bis jetzt hat niemand so recht herausgefunden, wie Kettenmoleküle, die so genannten Blockcopolymere, Doppelkreisel bilden können. Reddy und seine Co-Autoren bauten auf einem früheren theoretischen Modell auf und fügten eine kräftige Dosis Thermodynamik und einen neuen Ansatz für die Betrachtung des Packungsproblems hinzu - oder wie man einen endlichen Behälter am besten mit Material füllt -, der aus der Computergeometrie stammt und als mediale Karte bekannt ist. Da sich die Copolymere dehnen müssen, um jeden Teil der selbstorganisierten Struktur zu besetzen, muss man für das Verständnis dieser Formation wissen, wie die Moleküle die Mitte von Formen wie Kreiseln "vermessen", die viel komplexer sind als Kugeln und Zylinder. Das aktualisierte theoretische Modell des Teams erklärt nicht nur die rätselhafte Bildung von Doppelgyroiden, sondern verspricht auch zu verstehen, wie das Packungsproblem bei einer viel breiteren Palette von selbstorganisierten Überstrukturen funktioniert, wie z. B. Doppeldiamanten und Doppelprimitiven, oder sogar bei Strukturen, die noch entdeckt werden müssen.

Die Forscher, die vom US-Energieministerium finanziert wurden, planen als nächstes eine Zusammenarbeit mit synthetischen Chemikern, um ihre Theorie mit experimentellen Daten zu verfeinern. Ziel ist es, eine Vielzahl von Materialien zu entwickeln, die sich die Struktur des Doppel-Gyroids zunutze machen und eine Vielzahl von Technologien von wiederaufladbaren Batterien bis hin zu lichtreflektierenden Beschichtungen voranbringen können.

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