自然界中的复杂性，无论是在叶绿素还是在生物体中，通常都是由自组装引起的，并且被认为特别强大。可以证明紧凑的元素粒子簇具有实际意义，并且存在于原子核，纳米粒子或病毒中。Friedrich-Alexander-UniversitätErlangen-Nürnberg(FAU)的研究人员已经解码了一类这种高度有序的星团形成背后的结构和过程。他们的发现增加了对结构如何在簇中形成的理解。
在物理学中，簇被定义为孤立原子与更广泛的固体物体或液体之间的过渡区域的独立材料形式。神奇的数字集群可以追溯到Eugene Wigner，MariaGöppert-Mayer和Hans Jensen的工作，他们利用这一理论解释了原子核的稳定性，并在1963年获得了诺贝尔物理学奖。“直到现在，科学家们认为这种效应纯粹是由于原子之间的吸引力造成的，“粒子合成教授Nicolas Vogel博士说。我们的研究现在证明，不相互吸引的颗粒也会形成这些结构。我们的出版物有助于更好地理解结构在整体上是如何形成的。
该研究基于跨学科合作：粒子技术主席研究员Nicolas Vogel教授和多尺度模拟主席Michael Engel教授 - 来自化学与化学系的研究员生物工程 - 与材料科学专家，材料科学主席Erdmann Spiecker博士(微观和纳米结构研究)密切合作，汇集他们在各个领域的专业知识。Vogel负责合成，Spiecker负责结构分析，Engel负责胶体聚合物球的成型。术语胶体来源于古希腊语中的胶水，是指在分散介质中精细分布的颗粒或液滴，可以是固体，气体或液体。“
结构自行组装
研究人员在一个涵盖几个步骤的过程中的第一步是合成微小的胶体簇，总长度不超过单根头发直径的十分之一。'首先，水从乳液液滴中蒸发，聚合物球被推到一起。随着时间的推移，它们组装起来越来越光滑的球形簇并开始结晶。值得注意的是，数千个单独的颗粒如何在一个精确且高度对称的结构中独立地找到理想位置，其中所有颗粒都放置在可预测的位置，“Vogel教授解释说。
研究人员发现了超过25种不同形状和大小的神奇数字胶体簇，并且能够定义四种不同的团簇形态：蒸发速度最快，形成了弯曲的团簇，因为液滴界面的移动速度比胶体粒子的固定速度快。如果蒸发速率降低，则簇主要是球形的。球形簇具有均匀弯曲的表面，仅具有弱的晶体图案。随着蒸发速率进一步降低，形成具有二十面体对称性的团簇。这些簇具有特别高的对称度并且具有许多两个，三个或五个对称轴。
使用高分辨率显微镜来显示簇的表面并不能提供这些对称性的充分证据。即使簇的表面看起来高度有序，也不能保证簇内的粒子按预期排列。为了验证这一点，研究人员使用了埃尔兰根纳米分析和电子显微镜中心(CENEM)提供的电子断层扫描技术。用来自所有方向的高能电子轰击各个簇并记录图像。从超过100个投影中，研究人员能够重建群集的三维结构，从而重建群集内的粒子模式，这种方法让人联想到医学中使用的计算机断层扫描。
在下一步中，研究人员进行了模拟和高精度的数值计算。分析证明，根据理论预测，由对应于幻数的粒子组成的聚类确实更稳定。众所周知，观察到的二十面体对称性可以在病毒和超小金属簇中找到，但它从未被直接研究过。现在，通过这些结果，可以首次详细而系统地理解在所研究的模型系统中如何形成这种神奇数字簇，从而可以得出其他易于形成聚类的自然系统的结论。