La complejidad en la naturaleza a menudo resulta del autoensamblaje, y se considera particularmente robusto. Se puede demostrar que los grupos compactos de partículas elementales son de relevancia práctica, y se encuentran en núcleos atómicos, nanopartículas o virus. Un equipo interdisciplinario de investigadores dirigido por los profesores Nicolas Vogel y Michael Engel en Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ha decodificado la estructura y el proceso detrás de la formación de una clase de grupos tan altamente ordenados. Sus hallazgos han aumentado la comprensión de cómo se forman las estructuras en grupos, y ahora se han publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

En física, un grupo se define como una forma de material independiente en el área de transición entre átomos aislados y objetos sólidos o líquidos más extensos. Los grupos de números mágicos se remontan al trabajo de Eugene Wigner, Maria Göppert-Mayer y Hans Jensen, quienes utilizaron esta teoría para explicar la estabilidad de los núcleos atómicos y ganaron el premio Nobel de física por su investigación en 1963. "Hasta ahora, Los científicos han asumido que el efecto es causado puramente como resultado de la atracción entre átomos, "dice el Prof. Dr. Nicolas Vogel, Profesor de Síntesis de Partículas. Nuestra investigación ahora demuestra que las partículas que no se atraen entre sí también forman estructuras como estas. Nuestra publicación contribuye a una mayor comprensión de cómo se forman las estructuras en los clusters en general ".

La investigación incluyó contribuciones del experto Prof. Dr. Erdmann Spiecker de la Cátedra de Ciencia de Materiales (investigación en micro y nanoestructuras). Vogel fue responsable de la síntesis, Spiecker para el análisis de estructuras y Engel para modelar conglomerados a partir de bolas de polímero coloidal. El término coloidal se deriva de la palabra griega antigua para pegamento y se refiere a partículas o gotitas que se distribuyen finamente en un medio de dispersión. ya sea un objeto sólido, un gas, o un líquido. "Nuestros tres enfoques están particularmente vinculados en este proyecto, ", dice el profesor Engel." Se complementan entre sí y nos permiten obtener una comprensión profunda de los procesos fundamentales detrás de la formación de estructuras por primera vez ".

Las estructuras se ensamblan solas

El primer paso para los investigadores fue sintetizar grupos coloidales diminutos, no mayor que una décima parte del diámetro de un solo cabello. "En primer lugar, el agua se evapora de una gota de emulsión y las bolas de polímero se juntan. Tiempo extraordinario, ensamblan cúmulos en forma de esfera cada vez más suaves y comienzan a cristalizar. Es notable cómo varios miles de partículas individuales encuentran independientemente su posición ideal en una estructura precisa y altamente simétrica en la que todas las partículas se colocan en posiciones predecibles. "explica el Prof. Vogel.

Los investigadores descubrieron más de 25 grupos coloidales de números mágicos de diversas formas y tamaños y pudieron definir cuatro morfologías de grupos:donde la evaporación era más rápida, se formaron racimos pandeados, ya que la interfaz de las gotas se movía más rápido de lo que las partículas coloidales podían consolidarse. Si se redujo la tasa de evaporación, los racimos eran predominantemente esféricos. Los racimos esféricos tienen una superficie uniformemente curvada con solo un patrón débil de cristales. Se formaron grupos con simetría icosaédrica a medida que la tasa de evaporación disminuyó aún más. Estos grupos tienen un grado de simetría particularmente alto y tienen numerosos dos, ejes de simetría de tres o cinco pliegues.

El uso de microscopía de alta resolución para mostrar la superficie del cúmulo no proporciona pruebas suficientes de estas simetrías. Incluso si la superficie de un cúmulo parece muy ordenada, eso no es garantía de que las partículas dentro del grupo estén dispuestas como se esperaba. Para verificar esto, los investigadores utilizaron tomografía electrónica, disponible en el Centro Erlangen de Nanoanálisis y Microscopía Electrónica (CENEM). Los cúmulos individuales son bombardeados con electrones altamente energizados desde todas las direcciones y se registran las imágenes. De más de 100 proyecciones, los investigadores pudieron reconstruir la estructura tridimensional de los grupos y, por lo tanto, el patrón de las partículas dentro de los grupos en un método que recuerda a la tomografía computarizada como se usa en medicina.

En el siguiente paso, los investigadores realizaron simulaciones y cálculos numéricos de alta precisión. Los análisis demostraron que los grupos que consisten en números de partículas correspondientes a un número mágico son de hecho más estables, como se predijo sobre la base de la teoría. Es bien sabido que la simetría icosaédrica observada se puede encontrar en virus y grupos de metales ultrapequeños, pero nunca se ha investigado directamente. Ahora, con estos resultados, una comprensión detallada y sistemática de cómo se forman tales grupos de números mágicos en el sistema modelo investigado es posible por primera vez, permitiendo sacar conclusiones para otros sistemas naturales donde tienden a formarse conglomerados.