Complexiteit in de natuur komt vaak voort uit zelfassemblage, en wordt als bijzonder robuust beschouwd. Van compacte clusters van elementaire deeltjes kan worden aangetoond dat ze van praktisch belang zijn, en worden gevonden in atoomkernen, nanodeeltjes of virussen. Een interdisciplinair team van onderzoekers onder leiding van professoren Nicolas Vogel en Michael Engel van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) heeft de structuur en het proces achter de vorming van één klasse van zulke zeer geordende clusters gedecodeerd. Hun bevindingen hebben het begrip vergroot van hoe structuren in clusters worden gevormd, en zijn nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

in de natuurkunde, een cluster wordt gedefinieerd als een onafhankelijke materiële vorm op het overgangsgebied tussen geïsoleerde atomen en uitgebreidere vaste objecten of vloeistoffen. Magische getallenclusters zijn terug te voeren op het werk van Eugene Wigner, Maria Göppert-Mayer en Hans Jensen, die deze theorie gebruikten om de stabiliteit van atoomkernen te verklaren en in 1963 de Nobelprijs voor natuurkunde wonnen voor hun onderzoek. "Tot nu toe, wetenschappers hebben aangenomen dat het effect puur wordt veroorzaakt door de aantrekking tussen atomen, " zegt prof. dr. Nicolas Vogel, Hoogleraar Deeltjessynthese. Ons onderzoek bewijst nu dat deeltjes die elkaar niet aantrekken ook structuren als deze vormen. Onze publicatie draagt ​​bij aan een beter begrip van hoe structuren in clusters in het algemeen worden gevormd."

Het onderzoek omvatte bijdragen van deskundige prof.dr. Erdmann Spiecker van de leerstoel Materials Science (onderzoek naar micro- en nanostructuren). Vogel was verantwoordelijk voor de synthese, Spiecker voor structuuranalyse en Engel voor het modelleren van clusters van colloïdale polymeerballen. De term colloïdaal is afgeleid van het oude Griekse woord voor lijm en verwijst naar deeltjes of druppeltjes die fijn verdeeld zijn in een dispersiemedium, ofwel een vast object, een gas, of een vloeistof. "Onze drie benaderingen zijn bijzonder nauw met elkaar verbonden in dit project, " zegt prof. Engel. "Ze vullen elkaar aan en stellen ons in staat om voor het eerst een diep begrip te krijgen van de fundamentele processen achter het vormen van structuren."

Structuren assembleren zichzelf

De eerste stap voor de onderzoekers was het synthetiseren van minuscule colloïdale clusters, niet groter dan een tiende van de diameter van een enkele haar. "Allereerst, water verdampt uit een emulsiedruppel en de polymeerballen worden tegen elkaar gedrukt. Overuren, ze vormen steeds gladdere bolvormige clusters en beginnen te kristalliseren. Het is opmerkelijk hoe enkele duizenden individuele deeltjes onafhankelijk van elkaar hun ideale positie vinden in een precieze en zeer symmetrische structuur waarin alle deeltjes op voorspelbare posities zijn geplaatst, " legt prof. Vogel uit.

De onderzoekers ontdekten meer dan 25 colloïdale clusters met magische getallen in verschillende vormen en maten en konden vier clustermorfologieën definiëren:waar verdamping het snelst was, verbogen clusters werden gevormd, omdat de druppelinterface sneller bewoog dan de colloïdale deeltjes konden consolideren. Als de verdampingssnelheid werd verlaagd, de clusters waren overwegend bolvormig. Bolvormige clusters hebben een uniform gekromd oppervlak met slechts een zwak kristalpatroon. Clusters met icosahedrale symmetrie werden gevormd naarmate de verdampingssnelheid verder afnam. Deze clusters hebben een bijzonder hoge mate van symmetrie en hebben talrijke twee-, drie- of vijfvoudige symmetrieassen.

Het gebruik van microscopie met hoge resolutie om het oppervlak van het cluster te laten zien, levert niet voldoende bewijs voor deze symmetrieën. Zelfs als het oppervlak van een cluster sterk geordend lijkt, dat is geen garantie dat de deeltjes in het cluster zijn gerangschikt zoals verwacht. Om dit te verifiëren, gebruikten de onderzoekers elektronentomografie, verkrijgbaar bij het Erlangen Centrum voor Nanoanalyse en Elektronenmicroscopie (CENEM). Individuele clusters worden vanuit alle richtingen gebombardeerd met sterk geactiveerde elektronen en de beelden worden vastgelegd. Uit meer dan 100 prognoses, onderzoekers konden de driedimensionale structuur van de clusters en daarmee het patroon van de deeltjes binnen de clusters reconstrueren in een methode die doet denken aan computertomografie zoals gebruikt in de geneeskunde.

In de volgende stap, de onderzoekers voerden simulaties en zeer nauwkeurige numerieke berekeningen uit. De analyses toonden aan dat clusters bestaande uit aantallen deeltjes die overeenkomen met een magisch getal inderdaad stabieler zijn, zoals voorspeld op basis van de theorie. Het is algemeen bekend dat de waargenomen icosahedrale symmetrie kan worden gevonden in virussen en ultrakleine metaalclusters, maar het is nooit rechtstreeks onderzocht. Nutsvoorzieningen, met deze resultaten, een gedetailleerd en systematisch begrip van hoe dergelijke magische getalclusters worden gevormd in het onderzochte modelsysteem is voor het eerst mogelijk, waardoor conclusies kunnen worden getrokken voor andere natuurlijke systemen waar clusters de neiging hebben zich te vormen.