A complexidade da natureza muitas vezes resulta da automontagem, e é considerado particularmente robusto. Aglomerados compactos de partículas elementares podem ser considerados de relevância prática, e são encontrados em núcleos atômicos, nanopartículas ou vírus. Uma equipe interdisciplinar de pesquisadores liderada pelos professores Nicolas Vogel e Michael Engel da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) decodificou a estrutura e o processo por trás da formação de uma classe de tais clusters altamente ordenados. Suas descobertas aumentaram a compreensão de como as estruturas são formadas em clusters, e agora foram publicados em Nature Communications .

Na física, um aglomerado é definido como uma forma de material independente na área de transição entre átomos isolados e objetos sólidos ou líquidos mais extensos. Os aglomerados de números mágicos remontam ao trabalho de Eugene Wigner, Maria Göppert-Mayer e Hans Jensen, que usou essa teoria para explicar a estabilidade dos núcleos atômicos e ganhou o Prêmio Nobel de Física por suas pesquisas em 1963. "Até agora, os cientistas presumiram que o efeito é causado puramente como resultado da atração entre os átomos, "diz o Prof. Dr. Nicolas Vogel, Professor de Síntese de Partículas. Nossa pesquisa agora prova que partículas que não se atraem também formam estruturas como essas. Nossa publicação contribui para uma maior compreensão de como as estruturas são formadas em clusters em geral. "

A pesquisa incluiu contribuições do especialista Prof. Dr. Erdmann Spiecker da cadeira de ciência dos materiais (pesquisa em micro e nanoestruturas). Vogel foi responsável pela síntese, Spiecker para análise de estrutura e Engel para modelagem de aglomerados de esferas de polímero coloidal. O termo coloidal é derivado da palavra grega antiga para cola e se refere a partículas ou gotículas que são finamente distribuídas em um meio de dispersão, seja um objeto sólido, um gás, ou um líquido. "Nossas três abordagens estão particularmente intimamente ligadas neste projeto, "diz o Prof. Engel." Eles se complementam e nos permitem obter uma compreensão profunda dos processos fundamentais por trás da formação de estruturas pela primeira vez. "

Estruturas se montam

O primeiro passo para os pesquisadores foi sintetizar aglomerados coloidais minúsculos, não maior que um décimo do diâmetro de um único fio de cabelo. "Em primeiro lugar, a água evapora de uma gota de emulsão e as bolas de polímero são pressionadas juntas. Hora extra, eles montam aglomerados em forma de esfera cada vez mais lisos e começam a se cristalizar. É notável como vários milhares de partículas individuais encontram independentemente sua posição ideal em uma estrutura precisa e altamente simétrica em que todas as partículas são colocadas em posições previsíveis, "explica o Prof. Vogel.

Os pesquisadores descobriram mais de 25 aglomerados coloidais de números mágicos de várias formas e tamanhos e foram capazes de definir quatro morfologias de aglomerados:Onde a evaporação era mais rápida, aglomerados empenados foram formados, à medida que a interface da gota se movia mais rápido do que as partículas coloidais poderiam se consolidar. Se a taxa de evaporação foi reduzida, os aglomerados eram predominantemente esféricos. Os aglomerados esféricos têm uma superfície curva uniformemente com apenas um padrão fraco de cristais. Aglomerados com simetria icosaédrica foram formados conforme a taxa de evaporação diminuiu ainda mais. Esses aglomerados têm um grau particularmente alto de simetria e têm numerosos dois, eixos de simetria tripla ou quíntupla.

Usar microscopia de alta resolução para mostrar a superfície do cluster não fornece prova suficiente dessas simetrias. Mesmo que a superfície de um cluster pareça altamente ordenada, isso não é garantia de que as partículas dentro do cluster estejam organizadas conforme o esperado. Para verificar isso, os pesquisadores usaram tomografia eletrônica, disponível no Centro Erlangen de Nanoanálise e Microscopia Eletrônica (CENEM). Aglomerados individuais são bombardeados com elétrons altamente energizados de todas as direções e as imagens são gravadas. De mais de 100 projeções, os pesquisadores foram capazes de reconstruir a estrutura tridimensional dos clusters e, portanto, o padrão das partículas dentro dos clusters em um método que lembra a tomografia computadorizada usada na medicina.

Na próxima etapa, os pesquisadores realizaram simulações e cálculos numéricos altamente precisos. As análises provaram que os clusters consistindo em números de partículas correspondentes a um número mágico são de fato mais estáveis, conforme previsto com base na teoria. É bem conhecido que a simetria icosaédrica observada pode ser encontrada em vírus e aglomerados de metais ultrapequenos, mas nunca foi investigado diretamente. Agora, com esses resultados, uma compreensão detalhada e sistemática de como esses agrupamentos de números mágicos são formados no sistema de modelo investigado é possível pela primeira vez, permitindo que conclusões sejam tiradas para outros sistemas naturais onde os aglomerados tendem a se formar.