La complejidad en la naturaleza, ya sea en clorofila o en organismos vivos, a menudo resulta del autoensamblaje y se considera particularmente robusta. Se puede demostrar que los grupos compactos de partículas elementales tienen relevancia práctica, y se encuentran en núcleos atómicos, nanopartículas oLos investigadores de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg FAU han descifrado la estructura y el proceso detrás de la formación de una clase de tales grupos altamente ordenados. Sus hallazgos han aumentado la comprensión de cómo se forman las estructuras en grupos.
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, quien utilizó esta teoría para explicar la estabilidad de los núcleos atómicos y ganó el Premio Nobel de física por su investigación en 1963. "Hasta ahora, los científicos han asumido que el efecto se debe exclusivamente a la atracción entre átomos", dice el profesor. 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 grupos en general ".
La investigación se basa en una colaboración interdisciplinaria: el Prof. Dr. Nicolas Vogel, investigador de la Cátedra de Tecnología de Partículas, y el Prof. Dr. Michael Engel, investigador de la Cátedra de Simulación Multiescala, ambos del Departamento deIngeniería Química y Biológica: han trabajado en estrecha colaboración con el experto en ciencias de materiales Prof. Dr. Erdmann Spiecker de la Cátedra de Ciencia de Materiales investigación en micro y nanoestructuras, uniendo su experiencia en las diversas áreas. Vogel fue responsable de la síntesis, Spieckerpara el análisis de estructuras y Engel para modelar racimos a partir de bolas de polímero coloidal. El término coloidal se deriva de la antigua palabra griega 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 unlíquido. "Nuestros tres enfoques están particularmente estrechamente vinculados en este proyecto", subraya el profesor Engel, "se complementan entre sí y nos permiten obtener una comprensión profunda deLos procesos fundamentales detrás de la formación de estructuras por primera vez. '
Las estructuras se ensamblan
El primer paso para los investigadores en un proceso que cubre varios pasos fue sintetizar pequeños grupos coloidales, no más grandes que una décima parte del diámetro de un solo cabello en total. "En primer lugar, el agua se evapora de una gota de emulsión y ellas bolas de polímero se juntan. Con el tiempo, se agrupan grupos de 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 forma predecibleposiciones ', explica el profesor Vogel.
Los investigadores descubrieron más de 25 grupos coloidales de números mágicos diferentes de varias formas y tamaños y pudieron definir cuatro morfologías de grupos diferentes: donde la evaporación fue más rápida, se formaron grupos abrochados, ya que la interfaz de gotas se movió más rápido de lo que las partículas coloidales podrían consolidarseSi se redujo la velocidad de evaporación, los grupos eran predominantemente esféricos. Los grupos esféricos tienen una superficie uniformemente curvada con solo un patrón débil de cristales. Los grupos con simetría icosaédrica se formaron a medida que la velocidad de evaporación disminuyó aún más. Estos grupos tienen un grado particularmente altode simetría y tienen numerosos ejes de simetría de dos, tres o cinco veces.
El uso de microscopía de alta resolución para mostrar la superficie del grupo no proporciona pruebas suficientes de estas simetrías. Incluso si la superficie de un grupo parece altamente ordenada, eso no garantiza que las partículas dentro del grupo estén dispuestas como se esperaba.esto, los investigadores utilizaron tomografía electrónica, disponible en el Centro Erlangen de Nanoanálisis y Microscopía Electrónica CENEM. Los grupos individuales son bombardeados con electrones altamente energizados desde todas las direcciones y las imágenes grabadas. Desde más de 100 proyecciones, los investigadores pudieron reconstruir elestructura 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 muy precisos. Los análisis demostraron que los grupos que consisten en números de partículas correspondientes a un número mágico son de hecho más estables, como se predice sobre la base de la teoría. Es bien sabidoque la simetría icosaédrica observada se puede encontrar en virus y grupos de metales ultrapequeños, pero nunca se ha investigado directamente.Ahora, con estos resultados, se comprende de manera detallada y sistemática cómo se forman dichos grupos de números mágicos en el sistema modelo investigado.posible por primera vez, lo que permite sacar conclusiones para otros sistemas naturales donde los grupos tienden a formarse.
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Materiales proporcionado por Universidad de Erlangen-Nuremberg . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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