新的3D重建方法有助于分析属性定义缺陷

包括康奈尔工程学院团队在内的国际研究合作组织应用了一种新的基于X射线的重建技术，首次在相对较大的样本体积上对聚合物金属复合材料的纳米级自组装立方网络结构中的拓扑缺陷进行了观察。

未来，这种技术和新材料见解可以应用于研究表现出此类缺陷的其他中观结构——已知这些缺陷支撑了许多已知的物理现象，并能产生新的或增强的材料特性——在天然和合成的自组装材料中。

“这是一种新型聚合物、一种新型结构和一种新技术，可以重建前所未有的样本量，”材料科学与工程系SpencerT.Olin教授UlrichWiesner说道。“这才是关键：如果你有70,000个材料单元，而不是只有几十个单元，你就可以真正开始仔细观察缺陷结构——缺陷类型是什么，这些缺陷出现的频率是多少?”

Wiesner是《纳米级单金刚石网络拓扑纹理高分辨率三维成像》一书的合著者，该书于7月23日发表在《自然纳米技术》杂志上。通讯作者是日本仙台东北大学电气通信研究所助理教授JustinLlandro。

威斯纳的研究小组自25年前来到康奈尔大学以来一直致力于嵌段共聚物自组装(BCPSA)研究，他负责监督研究中使用的三嵌段三元共聚物材料的合成。合成工作由威斯纳小组前成员TakeshiYuasa和HiroakiSai负责。

这项新技术是硬X射线叠层扫描技术，由瑞士保罗谢尔研究所的瑞士光源(SLS)进行，是一种先进的断层扫描技术，可以比电子显微镜的光束更深地穿透材料。这项技术使研究人员能够重建BCPSA衍生的聚合物金属复合材料的非常大的样本体积。

“如果你有一个较小的缺陷，比如线缺陷或点缺陷，当你扰动系统时，通常你可以‘纠正’缺陷结构，”威斯纳说。“相比之下，拓扑缺陷非常大，它们对外部扰动非常稳定。”

三嵌段三元共聚物合成后，瑞士弗里堡阿道夫梅克尔研究所的乌利施泰纳(UlliSteiner)团队(Wiesner的长期合作伙伴)的研究人员用它生成了薄膜，并用金替换了其中一个三元共聚物嵌段，因此该材料可以承受SLS强相干X射线束的反复照射。

SLS的成像和图像重建最终揭示了一种称为单菱形结构的共连续网络，其中的拓扑缺陷研究人员预计会对机械和其他性能产生重大影响。重要的是，这些缺陷与向列液晶和水螅单细胞生物中发现的拓扑纹理最为相似，这表明自组装可用作研究拓扑在自然界中的作用的模型过程。

威斯纳表示，这项合作研究可以为他的实验室已经探索的领域的未来研究铺平道路：嵌段共聚物导向超导体。

“你可能会认为，超导体的宏观、电子或传输特性将取决于材料中的缺陷，”他说。“这正是我真正兴奋的地方：现在我们有了一项技术，可以让我们可视化更大体积的这些材料，并生成缺陷结构-特性相关性。”

其他合作者来自瑞士的保罗谢勒研究所和弗里堡大学的阿道夫默克尔研究所;德国德累斯顿的马克斯普朗克固体化学物理研究所;奥地利萨尔茨堡大学;日本的广岛大学和京都的稻盛科学研究所。