新的3D重建方法有助于分析属性定义缺陷

一项国际研究合作，包括康奈尔大学工程学院的一个小组，应用了一种新的基于X射线的重建技术，首次观察到在相对较大的样品体积上成像的聚合物-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

未来，这项技术和新材料的见解可以应用于研究在天然和合成的自组装材料中表现出这类缺陷的其他中尺度结构，这些缺陷是许多已知物理现象的基础，可以产生新的或增强的材料性能

材料科学与工程系Spencer T.Olin教授Ulrich Wiesner说：“这是一种新的聚合物、新的结构和新技术，可以重建前所未有的样品体积。这真的是关键：如果你有70000个材料晶胞，而不是只有几十个晶胞，你真的可以开始仔细研究缺陷结构——什么类型的缺陷以及这些缺陷发生的频率？”

Wiesner是7月23日发表在《自然纳米技术》杂志上的《纳米级单金刚石网络拓扑纹理的高分辨率三维成像》的合著者。通讯作者Justin Llandro是日本仙台东北大学电气通信研究所的助理教授

Wiesner的研究小组自25年前来到康奈尔大学以来一直在研究嵌段共聚物自组装（BCP SA），他监督了研究中使用的三嵌段三元共聚物材料的合成。合成是由前Wiesner集团成员Takeshi Yuasa和Hiroaki Sai进行的

Wiesner说，关于BCP SA生成材料中缺陷重要性的问题一直难以捉摸，部分原因是测量足够大的样品体积（具有相应较大的缺陷结构）所需的技术发展缓慢

这项新技术——在瑞士Paul Scherrer研究所的瑞士光源（SLS）进行的硬X射线成像——是一种先进的断层扫描技术，可以比电子显微镜中的光束更深入地穿透材料。这项技术使研究人员能够重建BCP SA衍生的聚合物金属复合材料的非常大的样品体积

Wiesner说：“如果你有一个较小的缺陷，比如线或点缺陷，当你扰乱系统时，你通常可以‘纠正’缺陷结构。”。“相比之下，拓扑缺陷非常大，它们对外部扰动非常稳定。”

一旦合成了三嵌段三元共聚物，瑞士弗里堡阿道夫·默克尔研究所的Ulli Steiner小组的研究人员，Wiesner的长期合作者，从中制备了薄膜，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处强烈相干X射线束的反复暴露

SLS的成像和图像重建最终揭示了一个被称为单钻石结构的共连续网络，其拓扑缺陷研究人员预计将对机械和其他性能产生重大影响。重要的是，这些缺陷与向列相液晶和九头蛇单细胞生物中发现的拓扑结构最为相似，这表明自组装可以作为研究拓扑结构在自然界中作用的模型过程

Wiesner说，这项合作研究可以为他的实验室已经探索的一个领域的未来研究铺平道路：嵌段共聚物导向的超导体

“你会认为超导体的宏观、电子或输运性质将取决于材料中的缺陷，”他说。“这就是我真正兴奋的地方：现在我们有了一种技术，可以让我们可视化更大体积的这些材料，并生成缺陷结构-性质相关性。”

其他合作者来自瑞士的Paul Scherrer研究所和弗里堡大学Adolphe Merkle研究所；德国德累斯顿马克斯·普朗克固体化学物理研究所；奥地利萨尔茨堡大学；广岛大学和日本京都稻盛研究所 More information: D. Karpov et al, High-resolution three-dimensional imaging of topological textures in nanoscale single-diamond networks, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01735-w

Journal information: Nature Nanotechnology