Novo método de reconstrução 3D auxilia na análise de defeitos que definem propriedades

Uma colaboração internacional de pesquisa, incluindo um grupo da Cornell Engineering, aplicou uma nova técnica de reconstrução baseada em raios X para observar, pela primeira vez, defeitos topológicos em uma estrutura de rede cúbica baseada em automontagem em nanoescala de um material composto de polímero-metal, obtida em um volume de amostra relativamente grande.

No futuro, essa técnica e novos insights sobre materiais poderão ser aplicados ao estudo de outras estruturas de mesoescala que apresentem essa classe de defeitos — que são conhecidos por sustentar muitos fenômenos físicos conhecidos e podem gerar propriedades materiais novas ou aprimoradas — em materiais automontados, tanto naturais quanto sintéticos.

“É um novo polímero, uma nova estrutura e uma nova técnica que permitiu que volumes de amostra sem precedentes fossem reconstruídos”, disse Ulrich Wiesner, o Professor Spencer T. Olin no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. “Essa é realmente a chave: se você tem 70.000 células unitárias de um material, em vez de apenas dezenas de células unitárias, você pode realmente começar a olhar cuidadosamente para a estrutura do defeito — que tipo de defeitos e com que frequência esses defeitos ocorrem?”

Wiesner é coautor de “Imagens tridimensionais de alta resolução de texturas topológicas em redes de diamante único em nanoescala”, publicado em 23 de julho em Natureza Nanotecnologia. O autor correspondente é Justin Llandro, professor assistente no Instituto de Pesquisa de Comunicação Elétrica da Universidade de Tohoku, em Sendai, Japão.

Wiesner — cujo grupo de pesquisa tem trabalhado em automontagem de copolímeros em bloco (BCP SA) desde que chegou a Cornell há 25 anos — supervisionou a síntese do material terpolímero tribloco usado no estudo. A síntese foi conduzida por Takeshi Yuasa e Hiroaki Sai, ambos ex-membros do Wiesner Group.

A questão sobre a importância dos defeitos em materiais gerados por BCP SA sempre foi elusiva, disse Wiesner, em parte porque as tecnologias necessárias para medir volumes de amostra grandes o suficiente — com estruturas de defeitos correspondentemente maiores — têm se desenvolvido lentamente.

A nova tecnologia — pticografia de raios X duros, que foi conduzida no Swiss Light Source (SLS), no Instituto Paul Scherrer na Suíça — é uma forma avançada de tomografia que pode penetrar mais profundamente em um material do que é possível com feixes em microscópios eletrônicos. Essa técnica permitiu que os pesquisadores reconstruíssem um volume de amostra muito grande de um material composto de polímero-metal derivado de BCP SA.

“Se você tem um defeito menor, como uma linha ou um defeito pontual, quando você perturba o sistema, frequentemente você pode ‘corrigir’ a estrutura do defeito”, disse Wiesner. “Em contraste, defeitos topológicos são tão grandes que são muito estáveis ​​contra perturbações externas.”

Depois que o terpolímero tribloco foi sintetizado, pesquisadores do grupo de Ulli Steiner no Instituto Adolphe Merkle em Friburgo, Suíça, um colaborador de longa data de Wiesner, geraram filmes finos a partir dele e substituíram um dos blocos de terpolímero por ouro, para que o material pudesse suportar a exposição repetida aos intensos feixes de raios X coerentes no SLS.

A imagem e a reconstrução de imagens no SLS finalmente revelaram uma rede co-contínua conhecida como estrutura de diamante único, com defeitos topológicos que os pesquisadores esperam que tenham efeitos substanciais em propriedades mecânicas e outras. É importante ressaltar que os defeitos se assemelham mais às texturas topológicas encontradas em cristais líquidos nemáticos e em organismos unicelulares Hydra, sugerindo que a automontagem pode ser usada como um processo modelo para investigar o papel da topologia na natureza.

Wiesner disse que essa pesquisa colaborativa pode abrir caminho para estudos futuros em uma área que seu laboratório já explorou: supercondutores direcionados por copolímeros em bloco.

“Você esperaria que suas propriedades macroscópicas, eletrônicas ou de transporte do supercondutor dependessem de defeitos em seus materiais”, ele disse. “É com isso que estou realmente animado: agora temos uma técnica que nos permite visualizar volumes maiores desses materiais e gerar estrutura de defeito — correlações de propriedade.”

Outros colaboradores vieram do Instituto Paul Scherrer, do Instituto Adolphe Merkle da Universidade de Friburgo, ambos na Suíça; do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, em Dresden, Alemanha; da Universidade de Salzburgo, Áustria; da Universidade de Hiroshima e do Instituto de Pesquisa Científica Inamori, em Kyoto, ambos no Japão.