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Auf einer ebenen Oberfläche arrangieren
sich Partikel, die einander abstoßen, so, dass sie sich in einem stabilen
Energiezustand befinden, um letztlich eine Anordnung innerhalb eines
Gitters von identischen Dreiecken einzunehmen, die der von Billardkugeln
zu Beginn eines Spieles entspricht.
Die Forscher, die seit nahezu einem
Jahrhundert sphärische Strukturen studieren, wussten bisher nur, dass ein
flaches Gitter nicht einfach in eine sphärische Form gebracht werden kann,
weil dann das Gitter von perfekten Dreiecken zusammenbricht. Schon früh,
1904, als der Physiker und Nobelpreisträger J. J. Thomson noch über die
Elektronenschalen der Atome theoretisierte, haben sich Forscher gefragt,
welche Struktur unter unzähligen Möglichkeiten ein dünnes Netz von
Partikeln wählen würde, um eine Kugel einzuhüllen.
In der Ausgabe der Zeitschrift Science
vom 14. März beschreiben Wissenschaftler einen größeren Durchbruch bei der
Lösung des Rätsels, gestützt durch Experimente mit Wassertröpfchen und
winzigen, sich selbst organisierenden Kügelchen. Die Forscher
demonstrieren, wie sphärische Kristalle eine gebogene Oberfläche durch
Ausbildung von "Narben" (Fehler, die die Organisation von Kugeln
ermöglichen) bilden.
Die von der NSF unterstützten
Wissenschaftler Mark Bowick von der Syracuse Universität, David Nelson von
der Harvard Universität und Alex Travesset von der Iowa State Universität
sowie das Ames National Laboratory konzipierten die Studie mit Konzepten,
die sie bereits früher entwickelten.
Die theoretischen Arbeiten der
genannten und anderer Labors legen nahe, dass sich Kristalle auf einer
gebogenen Oberfläche auf eine ungewöhnlich Art anordnen, die bei flachen
Kristallen nicht vorzufinden ist.
Den Forschern haben sich die
Experimentatoren Andreas Bausch und Michael Nikolaides von der TU München
und Angelo Cacciuto vom FOM Institute for Atomic and Molecular Physics in
den Niederlanden zusammen mit den von der NSF unterstützten Forschern um
David Weitz von der Harvard University angeschlossen. In Experimenten
konnte Team das Modell, wie sich sphärische Kristalle unter verschiedenen
natürlichen Bedingungen bilden, testen und letztlich stützen.
Das Zusammenspiel zwischen Theorie und
Versuch zeige faszinierende Einblicke, schwärmt Daryl Hess, die für das
Projekt verantwortliche NSF-Beamtin; es sei eine von Neugier gesteuerte
Forschung - von der Struktur biologischer Systeme bis hin zu
altehrwürdigen Problemstellungen aus der Zeit vor der Quantenmechanik -
deren Ergebnisse vermutlich Wirkung auf viele Bereiche der Wissenschaft
haben werde.
Im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen,
die Computermodelle verwenden, um zu bestimmen, wie sich die geladenen
Teilchen arrangieren, schließt der neue Forschungsansatz Experimente ein,
anstatt sich ausschließlich auf die einfachen Fehlstellen in der
Kristallstruktur zu konzentrieren und zu bestimmen, wie Teilchen und
Fehlstellen ihre stabilste Anordnung finden.
Um die sphärischen Kristalle
herzustellen, „legten“ die Forscher Polystyrolkügelchen (mit einem
Durchmesser von nur einem Mikron) um winzige Kugeln von Wasser (10 Mikron
in Durchmesser), die in einer öligen Lösung suspendiert sind, herum.
Das Team verwendete dann ein
Lichtmikroskop, um die Sphären zu betrachten und die Kristallmuster
digital abzubilden (siehe
Abbildungen auf der NSF-Site). Während das flache Kristallmuster aus einem
regelmäßigen Gitter benachbarter gleichseitiger Dreiecke bestand,
entdeckten die Forscher, dass das dreieckige Muster der sphärischen
Kristalle aufgrund Fehler unterbrochen und gestaucht wurde (statt der
sechs in einem perfekten Gitter hat jedes Kügelchen hier fünf oder sieben
direkte Nachbarn).
„Wir fanden heraus, dass eine Krümmung
die Anordnung von Teilchen auf einer Oberfläche im Wesentlichen
beeinflussen kann," sagte Bowick. Kleinere Kugeln wiesen zwölf vereinzelte
Fehler auf, größere Kugeln jedoch zeigten gezackte Ketten mit
Fehlerstellen, die die Forscher als Narben bezeichneten. Diese Narben
stellen eine Anhäufung von einfachen Fehlern im Gittermuster dar, die
innerhalb des Kristalls beginnen und enden, im Gegensatz zu den flachen
Kristallen, bei denen ähnliche Strukturen auf der Oberfläche beginnen und
enden. Die Forscher bemerkten, dass die Narben in einer voraussagbaren
Weise auftraten, bedingt durch die Größe der Kugel, und dass die
Voraussagen mit ihrer Theorie übereinstimmten.
Borwick resümierte, dass diese
Strukturen ein charakteristisches Merkmal der gebogenen Geometrie und
unabhängig von den Wechselwirkungen der Teilchen auf der Oberfläche sei.
Die Narben sollten in jeder Art sphärischer Packung oder Kristallisation
auftreten.
Eine zusätzliche Bestätigung des
beschriebenen Ansatzes der Forscher sind die neuen Erkenntnisse über
Bildung und Existenz solcher Strukturen in der Natur: Einige Viren - wie
das Affenkrebsvirus SV40 - und einige Bakterien zeigen ähnliche sphärische
Strukturen – die Kenntnis der „Narbenbildung“ kann dazu
 führen,
chemische Reaktionen an genau jenen Stellen anzusetzen, um so zu
potentielle medizinische Behandlungsansätze gegen Krankheiten mit
ähnlichen Krankheitserregern zu erhalten.
Die Forschung wirft auch Licht auf
einige der am häufigsten eingesetzten Strukturen in der Nanotechnologie,
nämlich den Fullerenen. Das Wissen, woher die Fehler innerhalb der
Nanostrukturen resultieren, wird den Forschern helfen, bessere Methoden
zur Herstellung von Fullerenen zu entwickeln bzw. andere große Moleküle
mit bestimmten Merkmalen zu entwerfen.
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