Toda la materia consta de una o más fases: regiones del espacio con estructura uniforme y propiedades físicas. Las fases comunes de H 2 O sólido, líquido y gaseoso, también conocido como hielo, agua y vapor, son bien conocidos. De manera similar, aunque menos familiares, quizás, los materiales poliméricos también pueden formar diferentes fases sólidas o líquidas que determinan sus propiedades y utilidad final.Esto es especialmente cierto para los copolímeros de bloque, las macromoléculas autoensambladas creadas cuando una cadena de polímero de un tipo "Bloque A" está químicamente conectada con la de un tipo diferente "Bloque B".
"Si desea un copolímero de bloques que tenga una determinada propiedad, elija la fase correcta para una aplicación de interés", explicó Chris Bates, profesor asistente de materiales en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de California en Santa Bárbara.en zapatos, quieres una fase; para hacer una membrana, quieres una diferente "
Solo se han descubierto unas cinco fases en los copolímeros de bloque más simples. Encontrar una nueva fase es raro, pero Bates y un equipo de otros investigadores de UC Santa Barbara, incluidos los profesores Glenn Fredrickson ingeniería química y Craig Hawker materiales, Morgan Bates, el científico del personal y el subdirector de tecnología del Instituto de Materiales Dow de la UCSB, y el investigador postdoctoral Joshua Lequieu, han hecho exactamente eso.
Sus hallazgos se publican en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Hace unos 12 meses, Morgan Bates estaba haciendo un trabajo experimental sobre polímeros que había sintetizado en el laboratorio, en un esfuerzo, dijo, "para comprender los parámetros fundamentales que rigen el autoensamblaje de copolímeros de bloque al examinar lo que sucede cuando ustedajustar la química del bloque "
Según Chris Bates, existen infinitas posibilidades para la química de los bloques "A" y "B". "La química sintética moderna nos permite elegir básicamente cualquier tipo de polímero A y conectarlo con un bloque B diferente", dijo"Dado este vasto espacio de diseño, el verdadero desafío es descubrir las perillas más cruciales para activar ese autoensamblaje de control".
Morgan Bates estaba tratando de entender esa relación entre química y estructura.
"Ajusté químicamente un parámetro relacionado con lo que se llama 'asimetría conformacional', que describe cómo los dos bloques llenan el espacio", recordó del proceso que condujo al descubrimiento. "No estábamos necesariamente tratando de encontrar unnueva fase, pero pensamos que quizás descubriríamos algún comportamiento nuevo. En este caso, los bloques A y B que están unidos covalentemente llenan el espacio de manera muy diferente, y ese parece ser el parámetro subyacente que da lugar a un autoensamblaje único"
Después de crear los copolímeros de bloque, los llevó a la Fuente Avanzada de Fotones en el Laboratorio Nacional de Argonne, en Illinois, donde se usó una técnica llamada "dispersión de rayos X de ángulo pequeño" para caracterizarlos. El proceso produce un diseño bidimensionalfirma de rayos X dispersos dispuestos en anillos concéntricos. La ubicación relativa y la intensidad de los anillos indica una fase particular. Morgan necesitaba viajar a un laboratorio nacional, porque el proceso requiere rayos X más potentes de lo que se puede producir en el campus.
Después de ese trabajo, dijo Chris Bates, "Utilizando el conocimiento de la cristalografía, puede interpretar los datos de dispersión y producir una imagen como si estuviera mirando la estructura con su ojo. Y en este caso, los datos fueron de tan alta calidadque pudimos hacer eso sin ambigüedades "
Morgan Bates recordó que cuando examinó el patrón de rayos X, una cosa era inequívocamente clara: "Se veía diferente. Pensé, '¿Qué es eso?'"
Era, por supuesto, su fase recién descubierta, conocida como A15. "Con este tipo de copolímeros de bloque AB, solo hay un puñado de fases que la gente ha observado anteriormente, y hemos encontrado otra, que se suma ala paleta de posibles opciones desde el punto de vista del diseño ", dijo Chris.
"Entre las formas de categorizar estructuras, esta fase pertenece a una clase conocida como 'empaquetado de forma tetraédrica'", agregó Lequieu, un experto en simulaciones por computadora que modeló el comportamiento de fase de los polímeros ". La fase que hemos encontrado enEn realidad, los copolímeros de bloques se observaron por primera vez en 1931 con un alótropo [o forma] de tungsteno. Pero en ese caso, A15 se forma a partir de átomos metálicos, que crean una estructura muy pequeña en la escala de longitud atómica. Nuestros copolímeros de bloques adoptan la misma estructura pero auna escala de longitud dos órdenes de magnitud más grande y, por supuesto, no hay átomos metálicos involucrados
"Si tuviera que mirar a ambos con un microscopio", continuó, "sus estructuras se verían iguales, pero solo en diferentes tamaños. Es fascinante que la naturaleza elija usar los mismos motivos estructurales para materiales completamente diferentes que no tienen relación algunaquímica y física "
El proyecto demuestra la facilidad y la propensión para la colaboración entre los investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara. Comenzó con una nueva química desarrollada por Hawker y Bates para ajustar las propiedades de los materiales, seguida de los resultados inesperados de caracterización de Morgan ". A partir de ahí,fuimos a Josh y le dijimos que hay algo extraño en los experimentos que no esperábamos y le preguntamos por qué ", dijo Chris Bates. Lequieu luego trabajó con Fredrickson para desarrollar las simulaciones por computadora.
"Hubo un muy buen ir y venir en este proyecto", dijo Lequieu. "Se realizó un experimento que era difícil de entender, por lo que realizamos simulaciones para explicarlo. Morgan luego hizo más experimentos, informado por los resultados de la investigación".simulaciones iniciales, y observaron que los cálculos eran realmente predictivos. Las fases observadas experimentalmente aparecieron justo donde las simulaciones decían que lo harían. En algunos lugares, sin embargo, los experimentos y las simulaciones no estuvieron de acuerdo, por lo que repetimos varias veces para mejorar los modelos y realmente entender elsutilezas involucradas "
"Avanzando", agregó Chris Bates, "nuestro equipo continúa integrando síntesis y teoría de materiales en una búsqueda de un comportamiento de fase más único".
Lequieu describió el ciclo de retroalimentación desde el experimento hasta la simulación y la teoría y de vuelta como "una especie de sueño de la ciencia moderna de los materiales. Morgan necesita mucho trabajo para hacer estas muestras. Es mucho más fácil si alguien predice los resultados en una computadoray puede decir: "Aquí hay un subconjunto de polímeros para sintetizar que debe formar la estructura deseada". Este enfoque denominado "diseño inverso" le ahorra mucho tiempo y esfuerzo ".
En términos de naturaleza recurriendo a diseños preferidos para materiales que de otro modo no estarían relacionados, vale la pena señalar un poco de historia. En 1887, Lord Kelvin, el de las unidades epónimas de temperatura absoluta, estaba trabajando en lo que más tarde se supocomo el "problema de Kelvin". Fue un esfuerzo para determinar cómo se podía dividir el espacio en celdas de igual volumen con la menor área de superficie entre ellas. Su solución propuesta, que indicaba la espuma de burbujas más eficiente, se conoció como la "estructura de Kelvin"
Se mantuvo durante unos cien años, pero en 1994 se demostró que era incorrecta. Kelvin había elegido lo que podría llamarse "Estructura A", pero un equipo de científicos británicos demostró que "Estructura B" era aún mejor. Desde entonces,La Estructura B ha ganado fama en los círculos científicos e incluso mucho más allá, apareciendo, por ejemplo, en forma de burbujas gigantes que sirven como elementos arquitectónicos funcionales y elementos de diseño en el techo del Centro Acuático Nacional de Beijing construido para los Juegos Olímpicos de 2008.
Resulta que la nueva fase descubierta por los investigadores en este proyecto, A15, es la Estructura B, confirmando una vez más que a la naturaleza le gusta un diseño previamente exitoso.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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