FAU Erlangen-Nürnberg Magische Cluster doch nicht so magisch

Elektronenmikroskopische Aufnahme von kolloidalen Clustern. Jeder Cluster besteht aus winzigen Polymerkugeln, die sich zu einem trocknenden Wassertropfen zusammenfügen.
Elektronenmikroskopische Aufnahme von kolloidalen Clustern. Jeder Cluster besteht aus winzigen Polymerkugeln, die sich zu einem trocknenden Wassertropfen zusammenfügen.

Ordnung ist nicht nur ein Vorsatz für das neue Jahr sondern auch ein Baustein aller Dinge. Doch wie ordnen sich Strukturen für die weder die Gesetze der Atomphysik noch der Festkörperphysik gelten?

Als Cluster bezeichnen Physiker eine eigene Materieform, die aus 3 bis 10 Millionen Atomen besteht und den Grenzbereich zwischen Atomhpysik und Festkörperphysik bildet. Die so genannten »magischen Cluster«, zu der etwa Viren oder Nanoteilchen gehören, zeigen Eigenschaften die sonst nirgendwo vorkommen und gehen ursprünglich auf Arbeiten von Eugene Wigner, Maria Göppert-Mayer und Hans Jensen zurück, die mit dieser Theorie die Stabilität von Atomkernen erklären konnten und dafür im Jahr 1963 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurden.

»Bisher ging man in der Wissenschaft davon aus, dass der Effekt ausschließlich durch die Anziehung von Atomen zustande kommt«, sagt Prof. Dr. Nicolas Vogel, Professor für Partikelsynthese an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Zusammen mit anderen Wissenschaftlern entschlüsselte er die Struktur und den Bildungsprozess einer Klasse dieser hochgeordneten Cluster. »Unsere Forschungen belegen nun, wie auch Partikel, die sich nicht anziehen, solche Strukturen bilden.«

Die Arbeiten basieren auf einer interdisziplinären Kooperation: Prof. Dr. Nicolas Vogel, Forscher am Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik, und Prof. Dr. Michael Engel, Wissenschaftler am Lehrstuhl für Multiskalensimulation – beide aus dem Department für Chemie und Bioingenieurwesen – sowie der Materialwissenschaftler Prof. Dr. Erdmann Spiecker, Inhaber des Lehrstuhls für Werkstoffwissenschaften (Mikro- und Nanostrukturforschung), arbeiteten dabei eng zusammen und ergänzten ihre Expertisen.

Strukturen organisieren sich selbst

Erster Schritt der Wissenschaftler war die Synthese kolloidaler Cluster, die verschwindend klein sind – ihre Gesamtgröße beträgt gerade einmal ein Zehntel des Durchmessers eines Haares – und in einem mehrstufigen Prozess entstehen. Zunächst verdampft Wasser aus einem Emulsionstropfen und die Polymerkugeln werden zusammengeschoben. Danach bilden sie im Laufe der Zeit immer gleichmäßigere kugelförmige Cluster und beginnen zu kristallisieren. »Mehrere tausend Einzelteilchen finden dabei – und das ist das Bemerkenswerte – von selbst ihre ideale Position in einer präzisen hochsymmetrischen Struktur, bei der alle Partikel auf vorhersagbaren Plätzen sitzen«, erläutert Prof. Vogel.

Die Forscher fanden mehr als 25 verschiedene magische kolloidale Cluster in verschiedenen Typen und Größen und arbeiteten vier unterschiedliche Cluster-Morphologien heraus: Mit der schnellsten Verdampfung bilden sich verbeulte Cluster, da sich die Tröpfchengrenzfläche schneller bewegt als sich kolloidale Partikel verfestigen können. Wenn die Verdampfungsrate gesenkt wird, dominieren kugelförmige Cluster. Sphärische Cluster weisen eine gleichmäßig gekrümmte Oberfläche mit nur schwacher Kristallordnung auf. Zudem bilden sich mit weiter abnehmender Verdampfungsrate Cluster mit ikosaedrischer Symmetrie heraus. Diese Cluster sind besonders hochsymmetrisch und weisen viele zwei-, drei- und fünffache Symmetrieachsen auf.

In einem weiteren Schritt führten die Forscher Simulationen und hochgenaue numerische Berechnungen durch. Die Analyse belegten, dass Cluster, deren Zahl der Bausteine identisch mit einer so genannten magischen Zahl ist, erhöhte Stabilität aufweisen – wie von der Theorie vorhergesagt. Das Vorkommen der beobachteten ikosaedrischen Cluster ist wohlbekannt für Viren und ultrakleine Metallcluster, konnte aber bisher nicht direkt untersucht werden. Die aktuellen Ergebnisse liefern daher erstmalig ein detailliertes und systematisches Verständnis der Ausbildung solcher magischen Cluster im untersuchten Modellsystem und erlauben Rückschlüsse auf andere natürliche Systeme, die zur Clusterbildung neigen.

Ihre neuen Erkenntnisse zum Verständnis der Strukturbildung in Clustern veröffentlichten sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift »Nature Communications«.