Triangle et défectueux: en raison de la chéralité – des mains – des molécules, les tuiles triangulaires individuelles ne correspondent jamais parfaitement. Des défauts et un décalage se produisent, ce qui donne la surface de l’apériodicité.
Est-il possible pour les carreaux de surface avec une seule forme de telle manière que le motif n’a plus jamais été répété? En 2022, cette solution mathématique pour les «problèmes d’Einstein» a été trouvée pour la première fois. Les chercheurs ont maintenant également trouvé des solutions chimiques: des molécules qui se régulent en modèles complexes et ne se répétent pas en surface. La couche apériodique résultante peut même montrer de nouvelles propriétés physiques.
Se tenir à l’intersection entre les mathématiques et le carreau commercial est ce que le problème d’Einstein est appelé. En dehors de son nom, cette question mathématique n’a rien à voir avec le gagnant du prix de Nobel Albert Einstein. Il a demandé: pouvez-vous en douceur le carreau de surface sans fin avec une seule forme (“einstein”) de telle manière que le motif résultant ne soit jamais répété? “Proto-Tiles” comme celui-ci a été découvert pour la première fois en 2022 par le mathématicien amateur britannique David Smith.
Le chercheur Empa Karl-Heinz Ernst n’est pas un mathématicien ou un midi. En tant que chimiste, il examine la cristallisation des molécules à la surface du métal. Il n’espérait jamais faire face au problème d’Einstein dans sa vie professionnelle – jusqu’à ce que son doctorant Jan Voigt l’a approché avec les résultats d’expériences inhabituelles. Lorsque certaines molécules se cristallisent à la surface de l’argent, au lieu de la structure régulière attendue, des modèles irréguliers se forment qui semblent ne jamais se répéter. Ce qui est plus surprenant: chaque fois qu’il répète l’expérience, différents modèles apériodiques apparaissent.
Comme tous les bons chercheurs, Ernst et Voigt soupçonnent initialement des erreurs expérimentales. Mais bientôt, il est devenu clair que des découvertes étranges étaient réelles. L’étape suivante consiste à découvrir pourquoi les molécules se comportent d’une manière unique. Les nouveaux chercheurs ont publié des réponses à cette question dans la revue Nature Communications.
Ernst et Voigt sont attirés par ce que l’on appelle la chéralité, «gauche-rède» qui caractérise de nombreuses molécules organiques. Bien que la structure kirale chimique soit chimiquement identique, ils ne peuvent pas être tournés les uns avec les autres – similaires à nos mains droite et gauche. Cette propriété est très importante dans l’industrie pharmaceutique. Plus de la moitié de tous les médicaments modernes sont kiraux. Parce que les biomolécules telles que les acides aminés, le sucre et les protéines dans notre corps ont tous la même main, les produits pharmaceutiques actifs doivent également être constitutifs. Les médicaments avec une main de maintenance incorrecte ne sont pas efficaces et les pires même dangereux.
Contrôler le Lescanic pendant la synthèse des molécules organiques car elle est très intéressante en chimie. Une possibilité est la cristallisation des molécules kirales. C’est bon marché, efficace et largement utilisé – mais pas encore entièrement compris. Les chercheurs voulaient initialement faire progresser cette compréhension avec leurs expériences. Pour ce faire, ils prennent une molécule très spéciale, qui change facilement ses mains à température ambiante – quelque chose qui n’est pratiquement jamais fait par la plupart des molécules Kiral.
Géométrique ‘einstein’: Si vous êtes un carreau de surface avec cette forme, le motif n’est jamais répété.
“Nous espérons que les molécules se régulent en cristaux conformément à leurs souhaits”, a expliqué Karl-Heinz Ernst, “à savoir, à la fois alternativement ou dans le groupe de la même main.” Inversement, des molécules qui semblent se réguler au hasard en triangles avec différentes tailles, qui à leur tour forment des spirales irrégulières sur les surfaces qui ne peuvent pas être renvoyées ou apériodiques que les chercheurs pensaient initialement être des erreurs.
Après beaucoup de déroutant, Voigt et Ernst ont finalement réussi à décrire les modèles moléculaires – non seulement par la physique et les mathématiques, mais aussi en l’essayant avec des pièces de puzzle réelles sur l’ordinateur ou même à la maison sur la table de la cuisine. La composition des molécules n’est pas entièrement aléatoire. Ils forment un triangle qui mesure entre deux et 15 molécules par côté. Dans chaque expérience, une taille de triangle est dominée. De plus, un triangle de taille unique est plus grand et une taille plus petite est également représentée – mais il n’y a rien d’autre.
“Dans nos conditions expérimentales, la molécule« Want »couvre la surface de l’argent que possible car c’est le meilleur résultat énergétiquement», a expliqué Ernst. “Cependant, en raison de leur chéralité, le triangle qu’ils forment ne correspondent pas au bord et doit être un peu équilibré.” Des triangles plus petits et plus grands sont nécessaires pour remplir la surface aussi efficacement que possible. Cet arrangement crée également des défauts à certains endroits – des incohérences ou de petits trous qui peuvent être le centre de la spirale.
“Les défauts ne sont en fait pas rentables en termes d’énergie”, a poursuivi Ernst. “Cependant, dans ce cas, ils permettent des arrangements triangulaires plus denses, qui compensent l’énergie” perdue “.” Cet équilibre explique également pourquoi les chercheurs n’ont jamais trouvé le même modèle deux fois: si tous les mêmes modèles en termes de coûts énergétiques, l’entropie décide.
Le mystère de “Molecular Einstein” a été résolu – mais comment cette perspicacité nous profite-t-elle? “La surface avec des défauts au niveau atomique ou moléculaire peut avoir des propriétés uniques”, a expliqué Ernst. “Pour la surface apériodique comme nous en particulier, il a été prédit que les électrons dedans se comporteront différemment et que cela peut élever de nouveaux types de physique.” Pour étudier cela, cependant, les molécules apériodiques doivent être étudiées sous l’influence de champs magnétiques sur différentes surfaces. Karl-Heinz Ernst, qui venait de prendre sa retraite, a remis cette tâche à d’autres. “J’ai trop de respect pour la physique”, le sourire du chimiste.
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