Nieuwe 3D-reconstructiemethode helpt bij analyse van eigenschapsbepalende defecten

Een internationale onderzoeksgroep, waaronder een groep van Cornell Engineering, heeft een nieuwe reconstructietechniek op basis van röntgenstraling toegepast om voor het eerst topologische defecten te observeren in een op nanoschaal zelfassemblage gebaseerde kubische netwerkstructuur van een polymeer-metaalcomposietmateriaal, afgebeeld over een relatief groot monstervolume.

In de toekomst zouden deze techniek en nieuwe inzichten in materialen kunnen worden toegepast op de studie van andere mesoschaalstructuren die deze klasse van defecten vertonen. Deze defecten staan ​​erom bekend dat ze ten grondslag liggen aan veel bekende fysieke verschijnselen en nieuwe of verbeterde materiaaleigenschappen kunnen opleveren. Dit gebeurt in zelfgeassembleerde materialen, zowel natuurlijke als synthetische.

“Het is een nieuw polymeer, een nieuwe structuur en een nieuwe techniek die het mogelijk maakte om ongekende monstervolumes te reconstrueren,” zei Ulrich Wiesner, de Spencer T. Olin Professor in de afdeling Material Science and Engineering. “Dat is echt de sleutel: als je 70.000 eenheidscellen van een materiaal hebt, in plaats van slechts tientallen eenheidscellen, kun je echt goed naar de defectstructuur gaan kijken: wat voor soort defecten en hoe vaak deze defecten voorkomen?”

Wiesner is medeauteur van “High-resolution Three-dimensional Imaging of Topological Textures in Nanoscale Single-diamond Networks”, dat gepubliceerd 23 juli in Natuur NanotechnologieDe corresponderende auteur is Justin Llandro, assistent-professor aan het Research Institute of Electrical Communication aan de Tohoku University in Sendai, Japan.

Wiesner, wiens onderzoeksgroep zich sinds zijn komst bij Cornell 25 jaar geleden bezighoudt met blokcopolymeerzelfassemblage (BCP SA), hield toezicht op de synthese van het triblokterpolymeermateriaal dat in de studie werd gebruikt. De synthese werd uitgevoerd door Takeshi Yuasa en Hiroaki Sai, beiden voormalige leden van de Wiesner Group.

De vraag naar het belang van defecten in door BCP SA gegenereerde materialen is altijd ongrijpbaar geweest, aldus Wiesner, deels omdat de technologieën die nodig zijn om voldoende grote monstervolumes te meten – met overeenkomstig grotere defectstructuren – zich maar langzaam hebben ontwikkeld.

De nieuwe technologie, harde röntgenptychografie, die werd uitgevoerd bij de Swiss Light Source (SLS), bij het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland, is een geavanceerde vorm van tomografie die dieper in een materiaal kan doordringen dan mogelijk is met bundels in elektronenmicroscopen. Deze techniek stelde de onderzoekers in staat om een ​​zeer groot monstervolume van een BCP SA-afgeleid polymeer-metaalcomposietmateriaal te reconstrueren.

“Als je een kleiner defect hebt, zoals een lijn- of puntdefect, kun je, als je het systeem verstoort, vaak de defectstructuur ‘corrigeren’,” zei Wiesner. “Daarentegen zijn topologische defecten zo groot dat ze zeer stabiel zijn tegen externe verstoringen.”

Nadat het triblok-terpolymeer was gesynthetiseerd, genereerden onderzoekers in de groep van Ulli Steiner van het Adolphe Merkle Instituut in Fribourg, Zwitserland, een langdurige medewerker van Wiesner, er dunne films van en vervingen ze een van de terpolymeerblokken door goud, zodat het materiaal bestand was tegen herhaalde blootstelling aan de intense coherente röntgenstralen bij SLS.

Beeldvorming en beeldreconstructie bij de SLS onthulden uiteindelijk een co-continu netwerk dat bekend staat als een single-diamond-structuur, met topologische defecten waarvan de onderzoekers verwachten dat ze substantiële effecten op mechanische en andere eigenschappen zullen hebben. Belangrijk is dat de defecten het meest lijken op topologische texturen die worden aangetroffen in nematische vloeibare kristallen en in Hydra-eencellige organismen, wat suggereert dat zelfassemblage kan worden gebruikt als een modelproces om de rol van topologie in de natuur te onderzoeken.

Volgens Wiesner kan dit gezamenlijke onderzoek de weg vrijmaken voor toekomstige studies op een gebied dat zijn laboratorium al heeft onderzocht: blokcopolymeergerichte supergeleiders.

“Je zou verwachten dat je macroscopische, elektronische of transporteigenschappen van de supergeleider afhankelijk zijn van defecten in je materialen,” zei hij. “Daar ben ik echt enthousiast over: nu hebben we een techniek waarmee we grotere volumes van deze materialen kunnen visualiseren en defectstructuur-eigenschapscorrelaties kunnen genereren.”

Andere medewerkers kwamen van het Paul Scherrer Instituut, het Adolphe Merkle Instituut van de Universiteit van Fribourg (beide in Zwitserland); het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen in Dresden (Duitsland); de Universiteit van Salzburg (Oostenrijk); de Universiteit van Hiroshima en het Inamori Onderzoeksinstituut voor Wetenschap in Kyoto (beide in Japan).