Komplexitet i naturen beror ofta på självmontering, och anses särskilt robust. Kompakta kluster av elementära partiklar kan visa sig vara av praktisk relevans, och finns i atomkärnor, nanopartiklar eller virus. Ett tvärvetenskapligt team av forskare som leds av professorerna Nicolas Vogel och Michael Engel vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har avkodat strukturen och processen bakom bildandet av en klass av så högordnade kluster. Deras resultat har ökat förståelsen för hur strukturer bildas i kluster, och har nu publicerats i Naturkommunikation .

Inom fysiken, ett kluster definieras som en oberoende materialform vid övergångsområdet mellan isolerade atomer och mer omfattande fasta föremål eller vätskor. Magiska nummerkluster kan spåras tillbaka till Eugene Wigners verk, Maria Göppert-Mayer och Hans Jensen, som använde denna teori för att förklara stabiliteten hos atomkärnor och vann Nobelpriset för fysik för sin forskning 1963. "Fram till nu, forskare har antagit att effekten endast orsakas av attraktionen mellan atomer, "säger professor Dr. Nicolas Vogel, Professor för partikelsyntes. Vår forskning visar nu att partiklar som inte lockar varandra också bildar strukturer som dessa. Vår publikation bidrar till en större förståelse för hur strukturer bildas i kluster i allmänhet. "

Forskningen omfattade bidrag från experten Prof. Dr. Erdmann Spiecker från ordföranden för materialvetenskap (forskning om mikro- och nanostrukturer). Vogel var ansvarig för syntesen, Spiecker för strukturanalys och Engel för modellering av kluster från kolloidala polymerbollar. Termen kolloidal härstammar från det antika grekiska ordet för lim och avser partiklar eller droppar som är fint fördelade i ett dispersionsmedium, antingen ett fast föremål, en gas, eller en vätska. "Våra tre tillvägagångssätt är särskilt nära sammankopplade i detta projekt, "säger prof. Engel." De kompletterar varandra och gör att vi kan få en djup förståelse för de grundläggande processerna bakom bildandet av strukturer för första gången. "

Strukturer samlar sig själva

Det första steget för forskarna var att syntetisera små kolloidala kluster, inte större än en tiondel av diametern på ett enda hår. "För det första, vatten avdunstar från en emulsionsdroppe och polymerbollarna skjuts ihop. Över tid, de monterar allt jämnare sfärformade kluster och börjar kristallisera. Det är anmärkningsvärt hur flera tusen enskilda partiklar oberoende av varandra hittar sin idealiska position i en exakt och mycket symmetrisk struktur där alla partiklar placeras i förutsägbara positioner, "förklarar professor Vogel.

Forskarna upptäckte mer än 25 magiska antal kolloidala kluster av olika former och storlekar och kunde definiera fyra klustermorfologier:Där avdunstning var snabbast, böjda kluster bildades, som droppgränssnittet rörde sig snabbare än de kolloidala partiklarna kunde konsolidera. Om förångningshastigheten sänktes, klustren var övervägande sfäriska. Sfäriska kluster har en enhetligt krökt yta med endast ett svagt kristallmönster. Kluster med ikosahedral symmetri bildades när förångningshastigheten minskade ytterligare. Dessa kluster har en särskilt hög grad av symmetri och har många två-, tre- eller femfaldiga symmetriaxlar.

Att använda högupplöst mikroskopi för att visa ytan på klustret ger inte tillräckligt med bevis på dessa symmetrier. Även om ytan på ett kluster verkar högordnad, det är ingen garanti för att partiklarna inuti klustret är ordnade som förväntat. För att verifiera detta, forskarna använde elektron tomografi, tillgänglig på Erlangen Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM). Enskilda kluster bombarderas med kraftfulla elektroner från alla håll och bilderna spelas in. Från mer än 100 prognoser, forskare kunde rekonstruera klusternas tredimensionella struktur och därför partiklarnas mönster i klustren i en metod som påminner om datortomografi som den används i medicin.

I nästa steg, forskarna genomförde simuleringar och mycket exakta numeriska beräkningar. Analyserna visade att kluster som består av antal partiklar som motsvarar ett magiskt tal verkligen är mer stabila, som förutsagt på grundval av teorin. Det är välkänt att den observerade ikosahedriska symmetrin kan hittas i virus och ultrasmå metallkluster, men det har aldrig utretts direkt. Nu, med dessa resultat, en detaljerad och systematisk förståelse för hur sådana magiska talkluster bildas i det undersökta modellsystemet är möjlig för första gången, så att slutsatser kan dras för andra naturliga system där kluster tenderar att bildas.