柔软的双螺旋状晶体是独特但不完美的晶体

看似不可能复杂的迷宫实际上非常简单。两个错综复杂的迷宫交织在一起但没有触及，却讲述了一个不同的故事。

现在想象一下它们是在纳米级上由软晶体制成的。莱斯大学布朗工程学院的材料科学家内德·托马斯(Ned Thomas)所做的比想象的要多，他和他的实验室逐层制作并分析了它们。

托马斯(Thomas)和他的团队在《自然》杂志上报告了他们对软质双螺旋陀螺的描述。他们曾短暂地认为这将是一个完美的双螺旋，其弯曲的节点和杆的布置无限重复。他们发现，他们希望的立方结构充满了扭曲。

陀螺是一种基于三重周期性最小表面的晶体，这种几何结构使其重复形式可以永久地(或至少直到受到约束)在三个维度上散布。它们有时是在自然界中发现的。例如，陀螺使蝴蝶的翅膀呈虹彩。

科学家和工程师有兴趣，因为他们既光波和声波之间的交互方式螺旋体，有前途的纳米材料具有新颖特性。陀螺的形状决定了波浪如何以及是否会传递到另一侧。这样，该材料可能对某些波或其他波长的反射器不可见。

值得注意的是，最初溶解在溶液中的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚苯乙烯的化学结合会自组装成双螺旋状，两个不同的PDMS网络彼此围绕跳舞而不会碰触。

双重陀螺仪甚至可以更容易调谐，因为使每个网络不同的材料可能对信号产生不同的影响。所有这些都基于晶胞结构是完美的立方体。

令人遗憾的是，组装成嵌段共聚物的柔软的双螺旋状陀螺仪并非如此。托马斯(Thomas)，主要作者和博士后研究员薛雪峰(Xueyan Feng)及其同事认为。

托马斯说：“我们将回旋网络称为红色和蓝色，但实际上它们是相同的化合物PDMS，”他说，他获得了纳米结构的3D模型。“它们之间的物质是苯乙烯，而且苯乙烯比红色和蓝色更多。”

如果嵌入在每个陀螺仪中的3-D图案的基本重复是一个完美的立方体，那将使该材料对应于230号，这是一个百年历史的空间群列表中最后一个可能的结构，它将所有可能的3他说-D材料的配置。

“矿物学家和数学家对例如为什么石英晶体具有对称性感兴趣时就创建了此列表，并弄清了对称元素的所有空间排列方式：平移，旋转，反射，反转，旋转反转，旋转反射，螺丝和滑行，”托马斯说。“只有230种方法可以将它们以自洽的方式组合在一起。

他说：“我的小组是1994年第一个在嵌段共聚物中发现230号的人，但事实证明，它形成时实际上并不是精确的立方，而且直到现在还没有人知道。”

这揭示了整个结构的晶界，该晶界是当双螺旋形在溶液中的各个位置成核并聚集在一起而失去对准时，在网络交叉点处造成不匹配的现象。他们发现实际的晶胞不是最高的对称性(立方)，而是最低的：三斜晶细胞，虽然在给定的晶粒内恒定，但在整个结构中随晶粒的不同而变化。托马斯说，这导致整体外观为“平均立方”，而实际上，对称性明显偏离了立方。

他说：“人们用来制造这些材料的起始聚合物溶液主要是溶剂，当它蒸发并开始形成结构时，整个系统就会收缩。” “如果它在各个方向上均匀地收缩，那是可以的，但事实并非如此。收缩力会挤压不同的晶粒和不同的方向，因此出现变形也就不足为奇了。”

托马斯说，这意味着当嵌段聚合物分子以这种方式拉动并达到其最小的能量结合状态时，晶胞就破坏了对称性。

“最重要的是，如果您打算将它们用作带隙的立方光子和声子晶体，而这些晶体都是基于一个完美的，无限的立方晶格中的一个完美的立方结构来计算的，那么您还会遇到另一件事。”他说。“除非你弄清楚一些新的生长技术，否则你不能通过实验来做到这一点。”

冯说，尽管如此，赖斯实验室正在努力创造立方体。他说：“关闭重力会有所帮助，或者使它们进入太空。” 但是，如果没有这些选择，研究人员正在寻找一种在各个方向上蒸发溶液以减轻材料上方向性应力的技术。

托马斯说：“自然界不了解手性，数学或空间群。” “但令人着迷的是，这些分子足够聪明地做到这一点。”