Квазикристалл что это такое
Квазикристаллы — гордость Чукотки
Аудитория залипает на ковёр Структура квазикристалла
Уже два раза Нобелевскую премию дают за вещества, которых не должно быть. Первый раз это был графен, в который никто не верил, второй раз — квазикристаллы, которые, по классической теории, вообще не могут существовать.
Не могут, но упорно существуют.
О практическом применении кристаллов, думаю, рассказывать на Хабре не нужно. Квазикристаллы имеют схожую область применения, плюс обладают двумя важными свойствами — во-первых, способны укреплять композитные материалы (например, для получения сверхпрочных сталей — иголки для операций по глазам), а, во-вторых, при охлаждении квазикристалл становится изолятором, а при нагреве — проводником. Естественно, большие перспективы в LED-технологиях и вообще во всём, что начинается на «нано» в хорошем смыле этого слова.
На прошлой неделе в Digital October прошла лекция Пола Стейнхардта — учёного, который съездил на Чукотку в поисках естественных квазикиристаллов и прошел целую детективную историю, чтобы получить образцы.
Что такое квазикристалл?
По сути — это сложно «упакованное» вещество, обладающее регулярной структурой. Отличие от обычных кристаллов в том, что эта структура не должна существовать по целому списку причин. Было уже доказано, что возможна симметрия второго, третьего, четвертого и шестого порядка, а для других случаев, она в общем-то, невозможна. Во всяком случае, так считали раньше. Для примера — привычная структура кристаллической решетки углерода даёт алмаз. Гексагональная структура даёт графит, который отличается другими свойствами.
С другой стороны, невозможно, например, правильными пятиугольниками замостить какую-то плоскость, точно так же это считалось невозможным и для десятиугольников. Правда, в 1982 году Шехтман (который в 2011 получил Нобелевскую премию по химии) показал, что предыдущие представления были неправильные.
Компоненты квазикристалла на модели
Как получается упаковать вещество так плотно?
Использованием различных структур. Грубо говоря, это не только пятиугольники, но и другие формы, которые встречаются с разной частотой. И соотношение между этими частотами не является рациональным числом, то есть его нельзя описать как взаимоотношение двух целых чисел. Соответственно, так появился термин «квазикристаллы», или «квазипериодические кристаллы», или «квазипериодические твердые тела».
Сборка квазикристалла
С 1984 года было получено в лабораториях более 100 различных квазикристаллов, но считалось, что в природе образование таких веществ просто невозможно, поскольку структура крайне нестабильна. А теперь самое весёлое — Стейнхардт нашел именно природный образец.
Ещё один ковёр
Где он его нашел?
И вот с этим кусочком мы несколько лет и пытались работать. Там уже начиналась зима 2008 года. В общем, мы разрезали имевшийся образец. Совсем тонкие срезы, как вы видите, полмикрометра. И мы рассчитывали, что мы получим доступ к хорошим спектрометрам и хорошим микроскопам. Но нам сказали, что они уже забронированы другими исследователями на следующие три месяца. Но я смог договориться с директором рентгенографического центра в университете, и мы с ним вместе пришли в лабораторию в пять утра в Рождество. Нам семья это не могла простить в то время, но мы понимали, что если мы не пойдем в этот день, то придется ждать еще три месяца. И меня поразило то, что мы увидели. Потому что когда мы поместили в электронный микроскоп этот образец, мы сразу увидели дифрактограмму. Совершенно фантастическую, практически идеальную дифрактограмму настоящего квазикристалла.
Как эта структура появилась внутри камня?
Пол понёс данные геофизикам, которые объяснили, что такое невозможно, потому что сплав алюминия, меди и железа должен был окислиться в естественных условиях. Собственно, физики попытались объяснить, что находка — это не естественное образование, а кусок техногенного мусора, оставшегося от русского аффинажного завода или ядерного реактора (ну, знаете, они там на каждом шагу). У Пола появилось две теории: про образование материала на большой глубине (где кислорода не очень-то много) или в космосе (где его ещё меньше). Требовалось найти ещё образцы, чтобы убедиться в природном происхождении квазикристаллов.
Сборки и разборки
Что дальше?
Первые данные анализа показали, что мы действительно подобрали очень хорошие материалы метеоритного происхождения. Вот видите, по центру этого камня такой блестящий образец, кусочек, который полностью соответствовал и химическому составу, который мы искали, и имел дифрактограмму, соответствующую квазикристаллу. И минерал, который мы нашли, мы назвали икосаэдритом, поскольку он имел дифрактограмму, полностью соответствующую правильной икосаэдрической решетке. Конечно, эта наша экспедиция и тот факт, что мы лично откопали все эти образцы, добавили убедительности нашим исследованиям в глазах научного сообщества. Если вы покажете эти данные специалистам по метеоритам, они вам сразу скажут, что это такое. Это типичный пример метеорита типа CV3, или углистого хондрита. Причем по центру этого хондрита вы видите блестящий кусочек, который раньше мы никогда не находили в природе. Трудно на данном этапе решить, когда сформировался данный квазикристалл. То ли он имеет тот же возраст, что и окружающая его порода, около 4,5 миллиардов лет, то ли он сформировался… Но мы сейчас эту тему копаем. Мы сейчас исходим из того, что возник этот квазикристалл на заре существования Солнечной системы, много миллиардов лет назад, при столкновении метеоритов. Мы предполагаем, что метеорит этот упал в бассейн Хатырки относительно недавно, может быть, порядка 10 тысяч лет назад. Как раз во время последнего ледникового периода. Как раз тогда, когда по этому ручью спускались вниз с какими-то ледяными массами глинистые породы. Мы продолжаем свою работу, хочется надеяться, что откроем еще какие-то тайны.
Обсуждение: ведущие российские специалисты в области
На месте испытаний первой атомной бомбы обнаружен квазикристалл
Плитки Пенроуза (мозаика Пенроуза) — наглядный пример структуры, которая упорядочена, но не повторяется
Почему квази?
Для начала разберемся, что такое квазикристалл. Нормальные кристаллы состоят из атомов, «упакованных» в кристаллическую решетку с четкой структурой. Они напоминают детальки трехмерного паркета, симметрично уложенного одинаковыми блоками. Так вот у квазикристаллов повторяемость блоков отсутствует, хотя есть упорядоченная структура как у нормального кристалла. Другими словами, упорядоченная структура квазикристаллов — не периодическая.
Изначально далеко не все ученые считали возможным существование квазикристаллов, но в итоге научное сообщество приняло эту идею, и подобные структуры стали изучать. Как оказалось, из-за отличий структуры квазикристаллов от структуры обычных кристаллов «квази» могут обладать уникальными свойствами. Поэтому исследование этих структур особенно интересно ученым.
В весьма специфических лабораторных условиях квазикристаллы впервые синтезировали в 80-х годах прошлого века. И после открытия считали, что их можно получить лишь путем быстрого охлаждения определенных сплавов и спеканием с порошком при строго заданном интервале температур. Предполагается, что образование квазикристаллических структур в природе не происходит само по себе.
Как нашли необычный кристалл
Обнаружение американскими и итальянскими учеными квазикристалла в составе красного тринитита особенно неожиданно и важно для исследований будущего. Красный тринитит похож по свойствам на зеленый. Минерал приобрел красный окрас за счет входящего в его состав оксида меди. Вещество также образовалось из сплава кварца, полевого шпата и других примесей во время взрыва атомной бомбы на полигоне в Аламогордо. Но, в отличие от зеленого тринитита, красный описан и изучен намного меньше.
В ходе лабораторных исследований ученые выяснили, что в состав минерала входит квазикристалл с химической формулой — Si61Cu30Ca7Fe2. Этот кристалл имеет икосаэдрическую структуру. Он содержит оси симметрии пятого, третьего и второго порядка. На данный момент это единственный кристалл с подобной структурой и формулой, синтезированный вне лаборатории.
Не только в лабораториях
В природе квазикристаллы ранее все же встречались, но только в метеоритах. Например, похожий квазикристалл обнаружен во фрагментах метеорита «Хатырка». Этому метеориту больше нескольких сотен миллионов лет.
Исследователи детально разобрали состав кристалла. Они выяснили, что данные изотопного состава характерны для условий, существовавших в первые секунды в 50-60 метрах от эпицентра ядерного взрыва. Специалисты предполагают, что температура в этом месте во время взрыва составляла около 1,5 тыс. градусов, а давление — от 50 тыс. до 80 тыс. атмосфер.
Изучение свойств новых веществ помогает ученым все глубже погружаться в загадки и открывать тайны Вселенной.
Квазикристаллы
Квазикристалл — одна из форм организации структуры твёрдых тел, наряду с кристаллами и аморфными телами (стёклами), характеризующаяся осью симметрии, запрещенной в классической кристаллографии и наличием дальнего порядка.
Содержание
История
Квазикристаллы были открыты в 1984 году Шехтманом (D. Shechtman), Блехом (I. Blech), Гратиасом (D. Gratias) и Каном (J. Cahn) в экспериментах по дифракции электронов на быстроохлаждённом сплаве Al6Mn (см. «Physical Review Letters», Vol. 53, 1984, p. 1951—1954). Полученная картина дифракции содержала типичные для кристаллов резкие (Брэгговские) пики, но при этом в целом имела точечную симметрию икосаэдра, то есть, в частности, обладала осью симметрии пятого порядка, невозможной в трёхмерной периодической решётке. Эксперимент с дифракцией изначально допускал объяснение необычного явления дифракцией на множественных кристаллических двойниках, сросшихся в зёрна с икосаэдрической симметрией. Однако вскоре более тонкие эксперименты доказали, что симметрия квазикристаллов присутствует на всех масштабах, вплоть до атомного, и необычные вещества действительно являются новой формой организации материи.
Позднее выяснилось, что с квазикристаллами физики сталкивались задолго до их официального открытия, в частности, при изучении дифракции Дебая-Шерера на зёрнах интерметаллидов в алюминиевых сплавах в 1940-х годах. Однако в то время икосаэдрические квазикристаллы были ошибочно идентифицированы, как кубические кристаллы с большой постоянной решетки.
В настоящее время известны сотни видов квазикристаллов, имеющих точечную симметрию икосаэдра, а также десяти-, восьми- и двенадцатиугольника.
Структура
Существует две гипотезы о том, почему квазикристаллы являются (мета-)стабильными фазами. Согласно одной гипотезе, стабильность вызвана тем, что внутренняя энергия квазикристаллов минимальна по сравнению с другими фазами, как следствие, квазикристаллы должны быть стабильны и при температуре абсолютного нуля. При этом подходе имеет смысл говорить об определённых положениях атомов в идеальной квазикристаллической структуре, то есть мы имеем дело с детерминистическим квазикристаллом. Другая гипотеза предполагает определяющим вклад энтропии в стабильность. Энтропийно стабилизированные квазикристаллы при низких температурах принципиально нестабильны. Сейчас нет оснований считать, что реальные квазикристаллы стабилизируются исключительно за счёт энтропии.
Детерминистическое описание структуры квазикристаллов требует указать положение каждого атома, при этом соответствующая модель структуры должна воспроизводить экспериментально наблюдаемую картину дифракции. Общепринятый способ описания таких структур использует тот факт, что точечная симметрия, запрещённая для кристаллической решетки в трёхмерном пространстве, может быть разрешена в пространстве большей размерности D. Согласно таким моделям структуры, атомы в квазикристалле находятся в местах пересечения некоторого (симметричного) трёхмерного подпространства R D (называемого физическим подпространством) с периодически расположенными многообразиями с краем размерности D-3, трансверсальными физическому подпространству.
Многомерное описание не даёт ответа на вопрос о том, как локальные межатомные взаимодействия могут стабилизировать квазикристалл.
Квазикристаллы Это новый класс твердых тел, полученный при поиске новых материалов в программе СОИ (стратегическая оборонная инициатива США). Экспериментаторам удалось попасть в очень узкую «температурную щель» и получить материалы с необычными новыми свойствами. Квазикристаллы обладают парадоксальной с точки зрения классической кристаллографии структурой, предсказанной из теоретических соображений (мозаики Пенроуза). Теория мозаик Пенроуза позволила отойти от привычных представлений о федоровских кристаллографических группах (основанных на периодических заполнениях пространства).
Металлургия
Получение квазикристаллов затрудняется тем, что все они либо метастабильны, либо образуются из расплава, состав которого отличается от состава твёрдой фазы (перитектика)…
Ученые, занимающиеся поиском квазикристаллов — так называемых «невозможных» материалов с необычной, неповторяющейся структурой – обнаружили один из них в остатках первого в мире испытания ядерной бомбы. Ранее неизвестная структура, состоящая из железа, кремния, меди и кальция, вероятно, образовалась в результате слияния испаренного песка пустыни и медных кабелей. Аналогичные материалы были синтезированы в лаборатории и идентифицированы в метеоритах, но материал, описанный в новом исследовании, является первым примером квазикристалла с такой комбинацией элементов. Квазикристаллы содержат строительные блоки, состоящие из расположения атомов, которые — в отличие от обычных кристаллов — не повторяются в регулярном, похожем на кирпичную кладку узоре. В то время как обычные кристаллические структуры выглядят идентичными после перемещения (смещения в определенных направлениях), квазикристаллы имеют симметрию, которая когда-то считалась невозможной: например, некоторые имеют пятиугольную симметрию и поэтому выглядят одинаково, если их повернуть на одну пятую полного поворота.
Геологи обнаружили материал в песке, расплавленном взрывом ядерной бомбы. Ранее такие материалы можно было обнаружить только в метеоритах
Невозможная симметрия
Ученый-материаловед Даниэль Шехтман из Израильского технологического института впервые обнаружил такую невозможную симметрию в синтетическом сплаве в 1982 году. Он наблюдал пятиугольную симметрию при вращении в каждом из различных возможных направлений, что произошло бы, если бы его строительные блоки имели правильную форму с 20 гранями. Многие исследователи изначально ставили под сомнение выводы Шехтмана, потому что математически невозможно заполнить пространство используя икосаэдр. В конце концов Шехтман получил Нобелевскую премию по химии за это открытие в 2011 году.
Икосаэдр (от греч. «ico» — шесть и hedra — «грань») — это многогранник с 20 гранями. Существует бесконечно много непохожих икосаэдров, некоторые из которых имеют больше симметрий, другие меньше.
Примерно в это же время Пол Стейнхардт, физик-теоретик из Принстонского университета в Нью-Джерси, и его коллеги предположили возможность существования неповторяющихся трехмерных структур. Они имели ту же симметрию, что и икосаэдр, но были собраны из строительных блоков нескольких различных типов, которые никогда не повторялись. Физик-математик Роджер Пенроуз из Оксфордского университета и другие исследователи ранее обнаружили аналогичные закономерности в двух измерениях, которые называются мозайкой Пенроуза.
Икосаэдром называется выпуклый многогранник, грани которого – это равносторонние треугольники. Любая вершина икосаэдра соединяется пятью гранями.
Стейнхардт вспоминает 1982 год, когда он впервые увидел экспериментальные данные открытия Шехтмана и сравнил их со своими теоретическими предсказаниями:
«Я встал из-за стола, подошел и посмотрел на наш рисунок, и вы не могли заметить разницы», – говорит он. «Так что это был своего рода удивительный момент».
В последующие годы материаловеды синтезировали множество типов квазикристаллов, расширяя диапазон возможных запрещенных симметрий. А позже Стейнхардт и его коллеги обнаружили первый природный «икосаэдрит» в фрагментах метеорита, найденного в Восточной Сибири в России. Этот квазикристалл, вероятно, образовался в результате столкновения двух астероидов в ранней Солнечной системе.
Условия, при которых два квазикристалла образовались, вероятно, в результате столкновений между астероидами в космосе в начале Солнечной системы, сопоставимы с условиями, возникшими во время взрыва атомной бомбы.
Квазикристаллы — это упорядоченные вещества, обладающие дальним порядком, но не трансляционной симметрией.
Некоторые из квазикристаллов, изготовленных в лаборатории, также были получены путем разбивания материалов на высокой скорости, поэтому Стейнхардт и его команда задавались вопросом, могут ли ударные волны от ядерных взрывов также образовывать квазикристаллы.
После испытания «Тринити» — первого в истории взрыва ядерной бомбы, который произошел 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо в Нью-Мексико – исследователи обнаружили обширное поле зеленоватого стекловидного материала, образовавшегося в результате разжижения песка в пустыне. Они окрестили находку тринититом.
Интересуетесь наукой и хотите быть в курсе последних открытий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Образованные в результате взрыва тринититы имели красноватые включения и по мнению исследователей были отличной почвой для поиска квазикристаллов. В течение десяти месяцев Стейнхарт и его команда нарезали кубиками все виды минералов, пока наконец не нашли крошечное зернышко – квазикристалл с такой же икосаэдрической симметрией, что и в первоначальном открытии Шехтмана.
Как и большинство известных квазикристаллов, структура тринитита, по-видимому, представляет собой сплав – металлоподобный материал, состоящий из положительных ионов в море электронов. Это необычно для кремния, который встречается как правило в горных породах в окисленной форме.
Несмотря на то, что сегодня ученые синтезируют в лабораториях много квазикристаллов, в природе они встречаются редко. Авторы научной работы полагают, что это может быть связано с образованием квазикристаллов, которое включает в себя «необычные комбинации элементов и их необычные расположения».
Квазикристалл
Квазикристалл — твёрдое тело, характеризующееся симметрией, запрещённой в классической кристаллографии и наличием дальнего порядка. Обладает наряду с кристаллами дискретной картиной дифракции.
Содержание
История
Квазикристаллы наблюдались впервые Данoм Шехтманом в экспериментах по дифракции электронов на быстроохлаждённом сплаве Al6Mn, [1] проведенных 8 апреля 1982 года, за что ему в 2011 году была присвоена Нобелевская премия по химии. Первый открытый им квазикристаллический сплав получил название «шехтманит» (англ. Shechtmanite ). [2] Статья Шехтмана не была принята к печати дважды и в сокращённом виде была в конце концов опубликована в соавторстве с привлечёнными им известными специалистами И. Блехом, Д. Гратиасом и Дж. Каном. [3] Полученная картина дифракции содержала типичные для кристаллов резкие (Брэгговские) пики, но при этом в целом имела точечную симметрию икосаэдра, то есть, в частности, обладала осью симметрии пятого порядка, невозможной в трёхмерной периодической решётке. Эксперимент с дифракцией изначально допускал объяснение необычного явления дифракцией на множественных кристаллических двойниках, сросшихся в зёрна с икосаэдрической симметрией. Однако вскоре более тонкие эксперименты доказали, что симметрия квазикристаллов присутствует на всех масштабах, вплоть до атомного, и необычные вещества действительно являются новой структурой организации материи.
В настоящее время известны сотни видов квазикристаллов, имеющих точечную симметрию икосаэдра, а также десяти-, восьми- и двенадцатиугольника.
Структура
Существует две гипотезы о том, почему квазикристаллы являются (мета-)стабильными фазами. Согласно одной гипотезе, стабильность вызвана тем, что внутренняя энергия квазикристаллов минимальна по сравнению с другими фазами, как следствие, квазикристаллы должны быть стабильны и при температуре абсолютного нуля. При этом подходе имеет смысл говорить об определённых положениях атомов в идеальной квазикристаллической структуре, то есть мы имеем дело с детерминистическим квазикристаллом. Другая гипотеза предполагает определяющим вклад энтропии в стабильность. Энтропийно стабилизированные квазикристаллы при низких температурах принципиально нестабильны. Сейчас нет оснований считать, что реальные квазикристаллы стабилизируются исключительно за счёт энтропии.
Детерминистическое описание структуры квазикристаллов требует указать положение каждого атома, при этом соответствующая модель структуры должна воспроизводить экспериментально наблюдаемую картину дифракции. Общепринятый способ описания таких структур использует тот факт, что точечная симметрия, запрещённая для кристаллической решетки в трёхмерном пространстве, может быть разрешена в пространстве большей размерности D. Согласно таким моделям структуры, атомы в квазикристалле находятся в местах пересечения некоторого (симметричного) трёхмерного подпространства R D (называемого физическим подпространством) с периодически расположенными многообразиями с краем размерности D-3, трансверсальными физическому подпространству.
Многомерное описание не даёт ответа на вопрос о том, как локальные межатомные взаимодействия могут стабилизировать квазикристалл. Квазикристаллы обладают парадоксальной с точки зрения классической кристаллографии структурой, предсказанной из теоретических соображений (мозаики Пенроуза). Теория мозаик Пенроуза позволила отойти от привычных представлений о федоровских кристаллографических группах (основанных на периодических заполнениях пространства).
Металлургия
Получение квазикристаллов затрудняется тем, что все они либо метастабильны, либо образуются из расплава, состав которого отличается от состава твёрдой фазы (инконгруэнтность).