Cientistas de polímeros da Universidade de Massachusetts Amherst anunciaram recentemente na revista Nature Communications que resolveram um mistério de longa data em torno de uma estrutura em nanoescala, formada por coleções de molanãculas, chamada de giroide duplo. Essa forma éuma das mais desejáveis ​​para os cientistas de materiais e possui uma ampla gama de aplicações; mas atéagora, uma compreensão previsível de como essas formas se formam iludiu os pesquisadores.

"Ha¡ uma bela interação entre matemática pura e ciência dos materiais", diz Greg Grason, autor saªnior do artigo e professor de ciência e engenharia de polímeros na UMass Amherst. "Nosso trabalho investiga como os materiais se automontam em formas naturais."

Essas formas podem assumir muitas formas. Eles podem ser simples, como uma camada, cilindro ou esfera. "Um pouco como filmes de saba£o", acrescenta Michael Dimitriyev, pesquisador de pa³s-doutorado em ciência e engenharia de polímeros na UMass Amherst, e um dos coautores do artigo. "Ha¡ uma compreensão intuitiva das formas que as molanãculas, como as do saba£o, podem construir. O que fizemos foi revelar a geometria oculta que permite que os polímeros assumam a forma de giroide duplo."

Como éum giroide duplo? Nãoéintuitivo. "Eles são algo entre uma camada e um cilindro", diz Abhiram Reddy, pesquisador de pa³s-doutorado na Northwestern que completou esta pesquisa como parte de seu estudo de pós-graduação na UMass Amherst e principal autor do artigo. Em outras palavras, imagine um pedaço plano de tela de janela - uma camada - e, em seguida, tora§a-o em uma camada em forma de sela que se encaixe em uma caixa caºbica de tal forma que sua área desuperfÍcie permanea§a a menor possí­vel. Isso éum giroide. Um giroide duplo équando um segundo material, também torcido em um giroide, preenche as lacunas no primeiro giroide. Cada material giroide forma uma rede de tubos que se interpenetram. Juntos, eles formam um material extremamente complexo que ésimanãtrico em todos os lados, como muitos cristais, ainda permeado por canais labira­nticos, cada um formado a partir de diferentes unidades moleculares. Como este material éum ha­brido de dois giroides, ele pode ser projetado para ter propriedades contradita³rias.

Esses giroides duplos existem na natureza e tem sido observados hámuito tempo, mas atéagora ninguanãm descobriu como moléculas em cadeia, conhecidas como copolímeros em bloco, saiba como formar giroides duplos. Reddy e seus coautores basearam-se em um modelo tea³rico anterior, adicionando uma forte dose de termodina¢mica e uma nova abordagem para pensar sobre o problema de empacotamento osou a melhor forma de preencher um recipiente finito com material osemprestado da geometria computacional e conhecido como mediano. mapa. Como os copolímeros precisam se esticar para ocupar todas as partes da estrutura automontada, entender essa formação requer saber como as moléculas "medem o meio" de formas, como os giroides, que são muito mais complexas do que esferas e cilindros. O modelo tea³rico atualizado da equipe não apenas explica a formação intrigante de giroides duplos, mas também promete entender como o problema de empacotamento funciona em uma variedade muito mais ampla de superestruturas automontadas, como diamantes duplos e primitivos duplos.

Os pesquisadores planejam colaborar com químicos sintanãticos para comea§ar a refinar sua teoria com dados experimentais. O objetivo final éser capaz de projetar uma ampla variedade de materiais que aproveitem a estrutura do duplo giroide e que possam ajudar a avana§ar em uma ampla gama de tecnologias, desde baterias recarrega¡veis ​​atérevestimentos refletores de luz.