Sel-sel germ dari simetri diturunkan

Penyelidik menemui mengapa atom dalam pepejal lebih suka pengaturan tertentu

Symmetry drives flowers: Para penyelidik Stuttgart menghasilkan corak cahaya dengan menumpuk beberapa rasuk laser. Pelepasan laser membentuk struktur berbentuk bunga yang berfungsi sebagai sel kuman untuk pesanan. Dalam corak tujuh kali ganda (bahagian bawah kiri), mereka jarang sekali berlaku - secara semula jadi, tidak ada bahan dengan simetri tujuh kali ganda. © Jules Mikhael / Universiti Stuttgart
membaca dengan kuat

Sesetengah simetri seolah-olah suka sifat, yang lain tidak. Sering kali, memerintahkan pepejal mempamerkan simetri putaran yang dipanggil enam kali. Pada masa yang sama, atom-atom dalam satah mengelilingi satu sama lain dengan enam orang jiran, seperti yang diketahui dari sarang lebah. Walau bagaimanapun, bahan-bahan yang diperintahkan dengan tujuh, sembilan atau sebelas simetri nampaknya tidak berlaku. Sebab untuk ini telah ditemui oleh pasukan penyelidik Jerman.

Apabila saintis Institut Penyelidikan Logam Max Planck, Universiti Stuttgart dan Universiti Teknikal (TU) Berlin cuba mengenakan simetri tujuh kali ganda pada lapisan zarah koloid yang dikenakan dengan medan laser yang kuat, dengan cepat menjadi jelas bahawa sel-sel kuman diperlukan untuk pembentukan struktur yang dipesan. di mana atom boleh melampirkan dengan simetri yang sepadan.

Di dalam simetri yang lebih suka sifat, banyak sel kuman seperti itu dijumpai, tetapi hanya berlaku secara sporadis dalam corak dengan simetri tujuh kali ganda, menulis jurnal "Prosiding Akademi Sains Kebangsaan" (PNAS).

Simetri berputar enam kali ganda

Yang berbunyi rumit sebenarnya agak mudah: bahan mempunyai simetri berputar enam kali ganda jika susunan atomnya tetap tidak berubah dengan putaran 60 darjah, satu keenam bulatan keseluruhan. Dengan cara ini, atom sering mengatur diri mereka dalam logam. Di samping itu, terdapat juga struktur lain yang lebih rumit, seperti dengan simetri putaran lima, lapan atau sepuluh kali ganda.

"Sungguh luar biasa bahawa bahan-bahan dengan simetri tujuh, sembilan atau sebelas tidak pernah diperhatikan, " kata Clemens Bechinger dari Institut Penyelidikan Logam Max Planck dan profesor di University of Stuttgart: "Ini adalah lebih menghairankan Corak mana-mana simetri putaran boleh dengan mudah ditarik ke sekeping kertas. "Setakat ini, bahan-bahan semacam itu telah diabaikan, atau sifatnya telah menghindarkan simetri tertentu? paparan

Bahan yang diperbuat daripada bahan

Bechinger kini telah menangani soalan ini dengan pekerja-pekerjanya. "Sudah tentu, jawapannya adalah kepentingan asas kepada kita, sebaliknya, ia juga dapat membantu menyesuaikan bahan untuk aplikasi teknikal untuk diukur, " kata ahli fizik itu. Oleh kerana sifat-sifat bahan umumnya bergantung pada simetri putarannya. Grafit dan berlian, misalnya, kedua-duanya terdiri daripada atom karbon dan hanya berbeza dalam simetri kristal.

Untuk menghasilkan bahan-bahan dengan simetri tujuh kali ganda, yang sebenarnya tidak wujud, penyelidik menggunakan silap mata khas: mereka menipis tujuh rasuk laser dan dengan itu mencipta corak cahaya dengan simetri tujuh kali ganda. Mereka kemudian memasukkan lapisan zarah koloid sekitar tiga mikrometer ke dalam bidang laser. Medan elektromagnetik pola cahaya bertindak pada zarah seperti lanskap gunung, di mana mereka lebih suka duduk di dalam tangki. Zarah koloid, yang mengusir satu sama lain disebabkan oleh caj elektrik mereka, cuba membentuk susunan dengan simetri enam kali ganda.

Sel-sel germ of simetri

Oleh kerana penyelidik secara beransur-ansur meningkatkan intensiti laser, mereka semakin banyak profil dalam landskap cahaya. Oleh itu, mereka membuat lebih banyak paksaan pada zarah koloid, bukan membentuk simetri tujuh kali ganda yang terdiri daripada enam belas anggota. "Dengan cara ini, kita boleh mengetahui keamatan laser yang zarah menahan simetri tujuh kali ganda dan mengekalkan simetri mereka yang berlipat ganda, " kata Jules Mikhael, yang juga bekerja pada Projek bekerjasama.

Dengan cara yang sama, ahli fizik kemudian meletakkan zarah dalam kekisi cahaya lima kali ganda - dan perhatikan perbezaan yang jelas: agak jelas zarah-zarah mengelakkan simetri tujuh kali ganda, sementara mereka mengelakkan f menganggap simetri berguna walaupun pada intensiti laser yang relatif rendah. Dalam hal ini, keengganan alam terhadap simetri tujuh kali ganda juga jelas dalam model pepejal penyelidik Stuttgart.

Pusat berbentuk bunga

"Walau bagaimanapun, sangat penting bahawa eksperimen kami juga mendedahkan sebab mengapa zarah-zarah itu menegaskan susunan tujuh kali ganda, " kata Bechinger. Walaupun fizik sebenarnya meningkatkan keamatan laser, zarah pada mulanya hanya menganggap simetri tujuh kali ganda di tempat yang sangat terpencil. Hanya dengan peningkatan intensiti selanjutnya perintah itu kemudian tersebar ke seluruh sampel. Sebagai titik permulaan untuk simetri tujuh kali ganda, penyelidik telah mengenal pasti struktur tertentu dalam corak cahaya. Ini terdiri daripada titik pusat cahaya, yang dikelilingi oleh karangan bunga mata lain dan dengan demikian mengingatkan bunga.

"Dalam corak cahaya dengan simetri lima kali ganda, kami mendapati 100 kali ganda lebih baik dari pusat-pusat bunga seperti ini daripada corak tujuh mata, " kata Michael Schmiedeberg. Jelas sekali, ketumpatan sel-sel kuman ini memainkan peranan penting. Lebih tinggi lagi, kurang paksaan para penyelidik perlu bersenam untuk menghasilkan struktur simetri berputar sepadan. Kemudian walaupun keamatan cahaya yang rendah cukup, supaya pesanan masing-masing menyebar dari pusat.

Perbezaan ketumpatan

Perbezaan ketumpatan pusat germinal seperti bunga itu sendiri menjelaskan mengapa simetri lapan dan sepuluh lipat berlaku dalam alam semula jadi, sementara sembilan dan sebilangan besar lipat tidak. "Hasilnya sangat mengejutkan kerana ia adalah hujah geometri yang mudah, " kata Bechinger: "Ia sama sekali bebas daripada sifat istimewa interaksi antara Zarah dan dengan itu digunakan kedua-dua sistem koloid dan dalam atom kita

Dalam satu tangan, eksperimen menerangkan mengapa tidak kebetulan bahawa bahan-bahan dengan simetri tertentu tidak terdapat dalam alam semula jadi. Sebaliknya, mereka menunjukkan cara yang konkrit di mana struktur sedemikian boleh direalisasikan secara artifisial dalam sistem koloid - iaitu dengan bantuan medan luaran.

Dalam perjalanan ke bahan dengan simetri yang tidak konvensional

Pada pendapat saintis, ini berguna untuk menghasilkan kristal fotonik simetri yang luar biasa, contohnya, di mana lapisan individu koloid dengan simetri putaran tujuh kali ganda disusun di atas satu sama lain. Kristal fotonik terdiri daripada struktur mikro yang serupa dengan gelombang cahaya sebagai kisi kristal kepada elektron. Oleh kerana simetri putaran yang lebih tinggi, sifat optik kristal fotonik tujuh kali ganda akan kurang bergantung pada arah kejadian rasuk cahaya daripada kristal fotonik sedia ada dengan simetri enam lipat.

Di samping itu, bahan-bahan dengan simetri yang tidak konvensional mempunyai ciri-ciri menarik lain, seperti rintangan geseran yang sangat kecil. Oleh itu, dalam bentuk pelapis nipis, mereka dapat memperbaiki lubricity of moving parts. "Secara keseluruhannya, pencarian bahan-bahan dengan simetri putaran yang luar biasa sangat menarik, " kata Bechinger. "Keputusan kami dapat membantu mengenal pasti sama seperti simetri yang patut dicari."

(Persatuan Max Planck, 31.03.2010 - DLO)