La complexité de la nature résulte souvent de l'auto-assemblage, et est considéré comme particulièrement robuste. On peut montrer que des grappes compactes de particules élémentaires sont d'une pertinence pratique, et se trouvent dans les noyaux atomiques, nanoparticules ou virus. Une équipe interdisciplinaire de chercheurs dirigée par les professeurs Nicolas Vogel et Michael Engel de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) a décodé la structure et le processus derrière la formation d'une classe de ces clusters hautement ordonnés. Leurs découvertes ont permis de mieux comprendre comment les structures se forment en grappes, et sont maintenant publiés dans Communication Nature .

En physique, un cluster est défini comme une forme matérielle indépendante à la zone de transition entre des atomes isolés et des objets solides ou liquides plus étendus. Les groupes de nombres magiques remontent aux travaux d'Eugene Wigner, Maria Göppert-Mayer et Hans Jensen, qui ont utilisé cette théorie pour expliquer la stabilité des noyaux atomiques et ont remporté le prix Nobel de physique pour leurs recherches en 1963. "Jusqu'à présent, les scientifiques ont supposé que l'effet est causé uniquement par l'attraction entre les atomes, " déclare le Pr. Dr Nicolas Vogel, Professeur de synthèse de particules. Nos recherches prouvent aujourd'hui que des particules qui ne s'attirent pas forment aussi de telles structures. Notre publication contribue à une meilleure compréhension de la façon dont les structures sont formées dans les clusters en général. »

La recherche comprenait des contributions de l'expert Prof. Dr. Erdmann Spiecker de la Chaire de science des matériaux (recherche sur les micro et nanostructures). Vogel était responsable de la synthèse, Spiecker pour l'analyse de structure et Engel pour la modélisation de clusters à partir de billes de polymère colloïdales. Le terme colloïdal est dérivé du mot grec ancien pour colle et fait référence à des particules ou des gouttelettes qui sont finement réparties dans un milieu de dispersion, soit un objet solide, un gaz, ou un liquide. « Nos trois approches sont particulièrement étroitement liées dans ce projet, ", explique le professeur Engel. "Ils se complètent et nous permettent pour la première fois d'acquérir une compréhension approfondie des processus fondamentaux qui sous-tendent la formation des structures."

Les structures s'assemblent

La première étape pour les chercheurs a été de synthétiser de minuscules amas colloïdaux, pas plus grand qu'un dixième du diamètre d'un seul cheveu. "Tout d'abord, l'eau s'évapore d'une gouttelette d'émulsion et les billes de polymère sont poussées ensemble. Heures supplémentaires, ils assemblent des amas sphériques de plus en plus lisses et commencent à se cristalliser. Il est remarquable de voir comment plusieurs milliers de particules individuelles trouvent indépendamment leur position idéale dans une structure précise et hautement symétrique dans laquelle toutes les particules sont placées dans des positions prévisibles, " explique le Pr Vogel.

Les chercheurs ont découvert plus de 25 amas colloïdaux de nombres magiques de différentes formes et tailles et ont pu définir quatre morphologies d'amas :où l'évaporation était la plus rapide, des grappes voilées se sont formées, car l'interface des gouttelettes se déplaçait plus rapidement que les particules colloïdales ne pouvaient se consolider. Si le taux d'évaporation a été abaissé, les amas étaient majoritairement sphériques. Les amas sphériques ont une surface uniformément incurvée avec seulement un faible motif de cristaux. Des amas à symétrie icosaédrique se sont formés à mesure que le taux d'évaporation diminuait davantage. Ces clusters ont un degré de symétrie particulièrement élevé et ont de nombreux deux, axes de symétrie triple ou quintuple.

L'utilisation de la microscopie à haute résolution pour montrer la surface de l'amas ne fournit pas une preuve suffisante de ces symétries. Même si la surface d'un amas apparaît hautement ordonnée, cela ne garantit pas que les particules à l'intérieur du cluster sont disposées comme prévu. Pour vérifier cela, les chercheurs ont utilisé la tomographie électronique, disponible au Centre d'Erlangen pour la nanoanalyse et la microscopie électronique (CENEM). Des amas individuels sont bombardés d'électrons hautement énergisés de toutes les directions et les images sont enregistrées. De plus de 100 projections, les chercheurs ont pu reconstruire la structure tridimensionnelle des amas et donc le motif des particules au sein des amas selon une méthode rappelant la tomographie par ordinateur utilisée en médecine.

A l'étape suivante, les chercheurs ont effectué des simulations et des calculs numériques très précis. Les analyses ont prouvé que les amas constitués de nombres de particules correspondant à un nombre magique sont en effet plus stables, comme prévu sur la base de la théorie. Il est bien connu que la symétrie icosaédrique observée peut être trouvée dans les virus et les amas métalliques ultra-petits, mais il n'a jamais fait l'objet d'une enquête directe. Maintenant, avec ces résultats, une compréhension détaillée et systématique de la formation de tels groupes de nombres magiques dans le système modèle étudié est possible pour la première fois, permettant de tirer des conclusions pour d'autres systèmes naturels où des grappes ont tendance à se former.