Magiske tal kolloidale klynger

Naturens kompleksitet skyldes ofte selvmontering, og anses for at være særlig robust. Kompakte klynger af elementarpartikler kan påvises at være af praktisk relevans, og findes i atomkerner, nanopartikler eller vira. Et tværfagligt team af forskere ledet af professorerne Nicolas Vogel og Michael Engel ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har afkodet strukturen og processen bag dannelsen af ​​en klasse af sådanne højt ordnede klynger. Deres resultater har øget forståelsen af, hvordan strukturer dannes i klynger, og er nu udgivet i Naturkommunikation .

I fysik, en klynge defineres som en uafhængig materialeform ved overgangsområdet mellem isolerede atomer og mere omfattende faste genstande eller væsker. Magiske talklynger kan spores tilbage til Eugene Wigners arbejde, Maria Göppert-Mayer og Hans Jensen, som brugte denne teori til at forklare stabiliteten af ​​atomkerner og vandt Nobelprisen i fysik for deres forskning i 1963. "Indtil nu, videnskabsmænd har antaget, at virkningen er forårsaget udelukkende som et resultat af tiltrækningen mellem atomer, " siger prof. Dr. Nicolas Vogel, Professor i partikelsyntese. Vores forskning viser nu, at partikler, der ikke tiltrækker hinanden, også danner strukturer som disse. Vores udgivelse bidrager til en større forståelse af, hvordan strukturer dannes i klynger generelt."

Forskningen omfattede bidrag fra ekspert prof. Dr. Erdmann Spiecker fra Chair of Materials Science (forskning i mikro- og nanostrukturer). Vogel var ansvarlig for syntese, Spiecker til strukturanalyse og Engel til modellering af klynger fra kolloide polymerkugler. Udtrykket kolloid er afledt af det oldgræske ord for lim og refererer til partikler eller dråber, der er fint fordelt i et dispersionsmedium, enten en fast genstand, en gas, eller en væske. "Vores tre tilgange er særligt tæt forbundet i dette projekt, " siger prof. Engel. "De komplementerer hinanden og giver os mulighed for at opnå en dyb forståelse af de grundlæggende processer bag dannelsen af ​​strukturer for første gang."

Strukturer samler sig selv

Det første skridt for forskerne var at syntetisere små kolloide klynger, ikke større end en tiendedel af diameteren af ​​et enkelt hår. "Først og fremmest, vand fordamper fra en emulsionsdråbe, og polymerkuglerne skubbes sammen. Over tid, de samler stadig mere glatte kugleformede klynger og begynder at krystallisere. Det er bemærkelsesværdigt, hvordan flere tusinde individuelle partikler uafhængigt finder deres ideelle position i en præcis og meget symmetrisk struktur, hvor alle partikler er placeret i forudsigelige positioner, " forklarer prof. Vogel.

Forskerne opdagede mere end 25 kolloidale klynger af magiske tal i forskellige former og størrelser og var i stand til at definere fire klyngemorfologier:Hvor fordampningen var hurtigst, spændte klynger blev dannet, da dråbegrænsefladen bevægede sig hurtigere, end de kolloide partikler kunne konsolidere. Hvis fordampningshastigheden blev sænket, klyngerne var overvejende sfæriske. Kugleformede klynger har en ensartet buet overflade med kun et svagt mønster af krystaller. Klynger med icosahedral symmetri blev dannet, da fordampningshastigheden faldt yderligere. Disse klynger har en særlig høj grad af symmetri og har talrige to-, tre- eller femdobbelte symmetriakser.

Brug af højopløsningsmikroskopi til at vise overfladen af ​​klyngen giver ikke tilstrækkeligt bevis for disse symmetrier. Selvom overfladen af ​​en klynge virker meget velordnet, det er ingen garanti for, at partiklerne inde i klyngen er arrangeret som forventet. For at bekræfte dette, forskerne brugte elektrontomografi, tilgængelig på Erlangen Center for Nanoanalyse og Elektronmikroskopi (CENEM). Individuelle klynger bliver bombarderet med højenergiske elektroner fra alle retninger, og billederne optages. Fra mere end 100 fremskrivninger, forskere var i stand til at rekonstruere den tredimensionelle struktur af klyngerne og derfor mønsteret af partiklerne i klyngerne i en metode, der minder om computertomografi som brugt i medicin.

I næste trin, forskerne udførte simuleringer og meget nøjagtige numeriske beregninger. Analyserne viste, at klynger bestående af antal partikler svarende til et magisk tal faktisk er mere stabile, som forudsagt på baggrund af teorien. Det er velkendt, at den observerede icosaedriske symmetri kan findes i vira og ultrasmå metalklynger, men det er aldrig blevet undersøgt direkte. Nu, med disse resultater, en detaljeret og systematisk forståelse af, hvordan sådanne magiske talklynger dannes i det undersøgte modelsystem, er for første gang mulig, gør det muligt at drage konklusioner for andre naturlige systemer, hvor klynger har tendens til at blive dannet.