La complessità in natura spesso deriva dall'autoassemblaggio, ed è considerato particolarmente robusto. Si può dimostrare che gli ammassi compatti di particelle elementari sono di rilevanza pratica, e si trovano nei nuclei atomici, nanoparticelle o virus. Un team interdisciplinare di ricercatori guidato dai professori Nicolas Vogel e Michael Engel della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ha decodificato la struttura e il processo alla base della formazione di una classe di cluster così altamente ordinati. I loro risultati hanno aumentato la comprensione di come si formano le strutture nei cluster, e ora sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

In fisica, un cluster è definito come una forma materiale indipendente nell'area di transizione tra atomi isolati e oggetti solidi o liquidi più estesi. Gli ammassi di numeri magici possono essere ricondotti al lavoro di Eugene Wigner, Maria Göppert-Mayer e Hans Jensen, che usarono questa teoria per spiegare la stabilità dei nuclei atomici e vinse il premio Nobel per la fisica per le loro ricerche nel 1963. "Fino ad ora, gli scienziati hanno ipotizzato che l'effetto sia causato esclusivamente dall'attrazione tra gli atomi, " afferma il Prof. Dr. Nicolas Vogel, Professore di sintesi di particelle. La nostra ricerca ora dimostra che anche le particelle che non si attraggono formano strutture come queste. La nostra pubblicazione contribuisce a una maggiore comprensione di come si formano le strutture nei cluster in generale".

La ricerca ha incluso contributi dell'esperto Prof. Dr. Erdmann Spiecker della Cattedra di Scienza dei Materiali (ricerca su micro e nanostrutture). Vogel era responsabile della sintesi, Spiecker per l'analisi della struttura ed Engel per la modellazione di cluster da sfere di polimero colloidale. Il termine colloidale deriva dall'antica parola greca per colla e si riferisce a particelle o goccioline che sono finemente distribuite in un mezzo di dispersione, o un oggetto solido, un gas, o un liquido. "I nostri tre approcci sono particolarmente strettamente collegati in questo progetto, " afferma il Prof. Engel. "Si completano a vicenda e ci consentono di comprendere a fondo i processi fondamentali alla base della formazione delle strutture per la prima volta".

Le strutture si assemblano da sole

Il primo passo per i ricercatori è stato sintetizzare piccoli cluster colloidali, non più grande di un decimo del diametro di un singolo capello. "Prima di tutto, l'acqua evapora da una goccia di emulsione e le sfere di polimero vengono spinte insieme. Col tempo, assemblano ammassi sferici sempre più lisci e iniziano a cristallizzare. È notevole come diverse migliaia di singole particelle trovino indipendentemente la loro posizione ideale in una struttura precisa e altamente simmetrica in cui tutte le particelle sono collocate in posizioni prevedibili, " spiega il prof. Vogel.

I ricercatori hanno scoperto più di 25 cluster colloidali di numeri magici di varie forme e dimensioni e sono stati in grado di definire quattro morfologie di cluster:dove l'evaporazione era più veloce, si formarono grappoli incurvati, poiché l'interfaccia delle goccioline si muoveva più velocemente di quanto le particelle colloidali potessero consolidarsi. Se la velocità di evaporazione è stata ridotta, i cluster erano prevalentemente sferici. Gli ammassi sferici hanno una superficie uniformemente curva con solo un debole schema di cristalli. Grappoli con simmetria icosaedrica si sono formati quando il tasso di evaporazione è diminuito ulteriormente. Questi cluster hanno un grado di simmetria particolarmente elevato e hanno numerosi due, tre o cinque assi di simmetria.

L'uso della microscopia ad alta risoluzione per mostrare la superficie del cluster non fornisce una prova sufficiente di queste simmetrie. Anche se la superficie di un ammasso appare molto ordinata, ciò non garantisce che le particelle all'interno del cluster siano disposte come previsto. Per verificare questo, i ricercatori hanno utilizzato la tomografia elettronica, disponibile presso il Centro di Erlangen per la nanoanalisi e la microscopia elettronica (CENEM). I singoli ammassi vengono bombardati da elettroni altamente energizzati da tutte le direzioni e le immagini vengono registrate. Da più di 100 proiezioni, i ricercatori sono stati in grado di ricostruire la struttura tridimensionale dei cluster e quindi il modello delle particelle all'interno dei cluster in un metodo che ricorda la tomografia computerizzata utilizzata in medicina.

Nel passaggio successivo, i ricercatori hanno condotto simulazioni e calcoli numerici altamente accurati. Le analisi hanno dimostrato che i cluster costituiti da numeri di particelle corrispondenti a un numero magico sono infatti più stabili, come previsto in base alla teoria. È ben noto che la simmetria icosaedrica osservata può essere trovata nei virus e negli ammassi di metalli ultra-piccoli, ma non è mai stato indagato direttamente. Ora, con questi risultati, è possibile per la prima volta una comprensione dettagliata e sistematica di come si formano tali cluster di numeri magici nel sistema modello investigato, consentendo di trarre conclusioni per altri sistemi naturali in cui i cluster tendono a formarsi.