Как известно, вся материя состоит из одной или нескольких фаз – областей пространства с однородной структурой и физическими свойствами. Например, фазы H2O – твердое вещество, жидкость и газ – хорошо известны как лед, вода и пар. Точно так же полимерные материалы могут образовывать различные твердые или жидкие фазы, которые определяют их свойства и конечную практическую ценность. Это особенно верно для блок-сополимеров, самосборных макромолекул, созданных, когда полимерная цепь одного типа («Блок А») химически связана с цепью другого типа («Блок Б»).
«Если вы хотите получить блок-сополимер, обладающий определенным свойством, вы выбираете правильную фазу для конкретной области применения», – пояснил Крис Бейтс, доцент Технического колледжа Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. «Для резины в обуви необходима одна фаза; чтобы сделать мембрану – другая».
На сегодняшний день в простейших блок-сополимерах были обнаружены только около пяти фаз. При этом, найти новую фазу удается довольно редко. Но Бейтс и команда других исследователей из Санта-Барбары, включая профессоров Гленна Фредриксона (химическое машиностроение) и Крейга Хокера (материалы), Моргану Бейтс, штатного ученого и помощника директора по технологиям в Институте материалов Доу при UCSB и результаты докторской диссертации Джошуа Ликье сделали это.
Моргана Бейтс проводила экспериментальную работу над полимерами, которые она синтезировала в лаборатории, пытаясь, по ее словам, «понять фундаментальные параметры, которые определяют самосборку блок-сополимеров, изучая, что происходит при химической настройке блока».
Как говорит Крис Бейтс, существуют бесконечные возможности для химической связи блоков «А» и «В». «Современная синтетическая химия позволяет выбирать практически любой тип полимера А и соединять его с другим блоком В», – сказал он. «Принимая во внимание это обширное пространство для проектирования, реальная задача состоит в том, чтобы найти ключевые инструменты управления конкретным компонентом при самостоятельной сборке».
То есть цель исследования состояла в установлении связи между химией и структурой вещества.
«Я химически подправила параметр, связанный с так называемой «конформационной асимметрией», которая описывает заполнение пространства двумя блоками», – вспоминает она о процессе научного поиска. «Нахождение новой фазы не было главной задачей исследования, но команда предполагала, что мы можем обнаружить новое поведение вещества. В данном случае блоки A и B, которые ковалентно связаны друг с другом, заполняют пространство совсем по-другому, и это, кажется, лежит в основе параметра, который приводит к некоторой уникальной самостоятельной сборке».
Создав блок-сополимеры, Бейтс отнесла их к усовершенствованному источнику фотонов в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, где для описания разработанного вещества использовалась методика, называемая «малоугловым рентгеновским рассеянием». Процесс дает двумерную сигнатуру (математический образ) рассеянного рентгеновского излучения, расположенного в концентрических кольцах. Относительное расположение и интенсивность колец указывает на конкретную фазу. Обращение в национальную лабораторию вызвано тем, что процесс распознавания фазы требует более мощных рентгеновских снимков, чем те, которые есть в университетском городке.
После этой работы, как сказал Крис Бейтс, «используя знания кристаллографии, вы можете интерпретировать данные рассеяния и получать изображение, как если бы вы смотрели на структуру невооруженным глазом. И в этом случае данные были настолько высокого качества, что мы смогли сделать это однозначно». Это была новая фаза, известная сегодня как A15. «С этими типами блоксополимеров AB есть только несколько фаз, которые ученые наблюдали ранее, и мы нашли другую, которая дополняет палитру возможных вариантов с точки зрения дизайна», – сказал Крис. «Среди способов категоризации структур эта фаза относится к классу, известному как« тетраэдрически плотная упаковка», – добавил Лекье, эксперт по компьютерному моделированию, который моделировал фазовое поведение полимеров. «Фаза, которую мы обнаружили в блок-сополимерах, была фактически впервые обнаружена в 1931 году с аллотропом [или формой] вольфрама. Но в этом случае A15 образуется из атомов металла, которые создают очень маленькую структуру в масштабе атомной длины. Наши блок-сополимеры принимают ту же структуру, но в масштабе длины на два порядка больше, и, разумеется, атомы металла не участвуют». «Если бы вы посмотрели на оба микроскопа, – продолжил он, – их структуры выглядели бы одинаково, но только при разных размерах. Удивительно, что природа выбирает использовать одни и те же структурные мотивы для совершенно разных материалов, имеющих совершенно не связанную химию и физику». «Двигаясь вперед, – добавил Крис Бейтс, – наша команда продолжает объединять синтез материалов и теорию в поисках более уникального фазового поведения».
С точки зрения природы, опирающейся на предпочтительные конструкции для других несвязанных материалов, остановимся немного на истории. В 1887 году лорд Кельвин – предложил одноименную единицу абсолютной температуры – работал над тем, что позже стало известно как «проблема Кельвина». Это была попытка определить, как пространство может быть разделено на клетки равного объема с наименьшей площадью поверхности между ними. Его предложенное решение, которое указывало на наиболее эффективную пузырьковую пену, стало известно как «структура Кельвина».
Теория просуществовала около ста лет и в 1994 году было доказано, что она неверна. Кельвин выбрал то, что можно назвать «Структурой А», но команда британских ученых показала, что «Структура Б» была даже лучше. С тех пор структура B приобрела известность в научных кругах и даже далеко за ее пределами, например, в форме гигантских пузырьков, которые служат как функциональными архитектурными элементами, так и элементами дизайна на крыше Пекинского национального центра водных видов спорта, построенного в 2008 году для проведения Олимпийских игр.
Оказывается, что новая фаза, открытая исследователями в этом проекте, A15, – это структура B, еще раз подтверждающая, что природе нравится ранее успешный проект.
В завершении, чтобы четко понимать, какая практическая ценность данного исследования, стоит отметить, что сополимер А15 найдет широкое применение в строительной индустрии. В частности, при работе с различными смолами, для повышения прочности конструкций и других направлениях.
