Cum se aranjează particulele în structuri complexe
Complexitatea în natură, fie în clorofilă, fie în organismele vii, deseori rezultă din auto-asamblare şi este considerată robustă într-un mod special. Aglomerări compacte (clustere) de particule elementare se pot dovedi a fi de importanţă practică, şi sunt găsite în nucleii atomilor, nanoparticule sau virusuri.
Cercetătorii de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) au decodat structura şi procesul din spatele formării uneia din clasele de astfel de aglomerări (clustere) înalt ordonate. Descoperirile lor au sporit înţelegerea asupra modului în care se formează structurile în interiorul acestor aglomerări (clustere). În fizică, o astfel de aglomerare (cluster) este definită ca o formă materială independentă la suprafaţa de tranziţie între atomi izolaţi şi lichide sau obiecte solide mult mai extinse.
Aglomerările (clusterele) de numere magice pot fi urmărite în lucrările lui Eugene Wigner, Maria Göppert-Mayer şi Hans Jensen, care au folosit această teorie pentru a explica stabilitatea nucleilor atomici şi au câştigat premiul Nobel pentru fizică pentru aceasta în 1963.
„Până acum, cercetătorii au presupus că efectul este determinat pur şi simplu ca rezultat al atracţiei dintre atomiˮ, a afirmat prof. dr. Nicolas Vogel, profesor de tehnologia particulelor.
Aglomerările (clusterele) coloidale apar sub diverse forme şi mărimi. Imagini de microscopie electronică (sferele gri din imagine) sunt comparate cu modele geometrice (sferele bleu din imagine). Numerele se referă la tipul de aglomerare coloidală şi la mărimea N a aglomerării (scală – 1µm).
Grupul de cercetători de la FAU a arătat că particulele care nu se atrag unele pe altele formează de asemenea structuri precum acestea (din figură). Articolul publicat de ei contribuie la o mai bună înţelegere asupra modului în care structurile se formează în clustere în general.
Cercetarea are la bază o colaborare interdisciplinară: prof. dr. Nicolas Vogel, cercetător la catedra de Tehnologia Particulelor, şi prof. dr. Michael Engel, cercetător la catedra de Simulare Multiscalară, ambii de la Departamentul de Inginerie Biologică şi Chimică, au lucrat împreună cu expertul ştiinţific în materiale, prof. dr. Erdmann Spiecker de la catedra de Ştiinţa Materialelor (cercetări asupra micro- şi nanostructurilor), punând laolaltă expertiza lor din domenii diferite. Vogel a fost responsabil pentru sinteză, Spiecker pentru analiza structurală iar Engel pentru modelarea aglomerărilor din sfere de polimer coloidal. Termenul coloidal este derivat de la termenul grecesc utilizat pentru clei şi se referă la particule sau picături care sunt fin distribuite într-un mediu de dispersie, fie un obiect solid, un gaz sau nu lichid.
„Cele trei abordări ale noastre sunt în mod special strâns corelate în acest proiect,” subliniază prof. Engel, „ele se completează una pe alta şi ne permit să obţinem o înţelegere mai profundă asupra proceselor fundamentale din spatele formării structurilor, pentru prima dată.”
Structurile se asamblează ele-însele
Primul pas pentru cercetători în procesul care a implicat mai multe etape a fost acela de a sintetiza aglomerări (clustere) coloidale, nu mai mari de o zecime din diametrul unui fir de păr în total.
„În primul rând, apa se evaporă dintr-o picătură de emulsie iar sferele de polimer sunt împinse să fie împreună. Cu timpul, ele se asamblează în sfere care cresc în dimensiuni şi încep să cristalizeze. Este remarcabil modul în care mai multe mii de particule individuale independente îşi găsesc poziţia ideală într-o structură precisă şi foarte simetrică în care toate particulele sunt aşezate în poziţii predictibile”, explică prof. Vogel.
Cercetătorii au descoperit mai mult de 25 de aglomerări (clustere) coloidale diferite conexe numerelor magice şi care sunt de diferite forme şi mărimi, şi au fost capabili să definească patru morfologii diferite de aglomerări: cele în care evaporarea era cea mai rapidă formau aglomerări închise, deoarece interfaţa picăturii se mişca mai repede decât se puteau consolida particulele coloidale. Dacă rata de evaporare era mai mică, clusterele erau predominant sferice. Clusterele sferice au o suprafaţă curbă uniformă, prezentând doar un slab tipar de cristale. Clusterele cu simetrie icosaedrică se formau pe măsură ce rata de evaporare continua să scadă. Aceste clustere au un grad înalt, special de simetrie, prezentând numeroase axe de simetrie de rotaţie dublă, triplă şi cvintuplă. Aceste reguli naturale de simetrie, în cadrul structurilor cu simetrie icosaedrică, asigură un volum maxim pentru suprafaţă minimă de acoperire.
Cu ajutorul microscopiei de rezoluţie înaltă s-a arătat că suprafaţa aglomerării nu furnizează dovezi suficiente asupra acestor asimetrii. Chiar dacă suprafaţa unei aglomerări apare a fi înalt ordonată, nu este nicio garanţie că particulele din interior sunt aranjate aşa cum se aşteaptă. Pentru a verifica aceasta, cercetătorii au folosit electron-tomografia, disponibilă la Centrul Erlangen pentru Nanoanaliză şi Microscopie Electronică (CENEM). Aglomerări (clustere) individuale au fost bombardate cu electroni cu energie înaltă din toate direcţiile şi imaginile au fost înregistrate. Din mai mult de 100 de incidențe, cercetătorii au fost capabili să reconstruiască structura tridimensională a clusterelor şi astfel să îşi dea seama de tiparul particulelor din interiorul aglomerărilor printr-o metodă similară computer-tomografiei care se foloseşte în medicină.
În următoarea etapă, cercetătorii au realizat stimulări şi calcule numerice foarte precise. Analizele au arătat că aglomerările care constau în numere de particule corespunzătoare unui număr magic sunt într-adevăr mai stabile, aşa cum s-a prezis în mod teoretic. Este bine ştiut că simetria icosaedrică observată poate fi găsită la virusuri şi în aglomerările ultrafine de atomi metalici, dar nu a fost niciodată investigată direct. Acum, cu aceste rezultate, o înţelegere detaliată şi sistematică asupra modului în care aceste aglomerări conexe numerelor magice se formează în sistemele-model investigate a fost posibilă pentru prima dată, permiţând ajungerea la concluzii referitoare la alte sisteme naturale la care tind să se formeze aglomerări (clustere).
Savanţii au descoperit o nouă fază a materiei: cristalele de timp
yogaesoteric
30 iulie 2019