Квазикристаллы — это материалы, которые нарушают традиционные правила кристаллографии. До их открытия в 1982 году Даном Шехтманом ученые считали, что материалы могут быть либо кристаллическими — с симметричными, повторяющимися структурами, — либо аморфными, т.е. со случайно расположенными, неупорядоченными структурными элементами. Кроме того, ученые полагали, что кристаллы могут быть симметричными только ограниченное число раз при вращении вокруг оси — два, три, четыре или шесть раз.
Квазикристаллы нарушают эти правила. Они собраны в упорядоченную структуру, но эта структура повторяется. Кроме того, они обладают вращательной симметрией, которой не может достичь ни один обычный кристалл. Например, квазикристалл с икосаэдрической симметрией может демонстрировать пятикратную симметрию вокруг шести различных вращательных «линий».
Недавно группа исследователей из Университета Париж-Сакле решила расширить границы исследований квазикристаллов. Используя новый экспериментальный подход, им удалось создать самый большой на сегодняшний день квазикристалл, открывающий новые перспективы для понимания и применения этих структур. Исследование доступно на платформе .
Смелый эксперимент
Вместо того чтобы использовать частицы нанометрового или микрометрового размера, как это обычно делается, исследователи решили использовать объекты в тысячу раз крупнее. В неглубокую коробку насыпали около 4000 стальных сфер диаметром 2,4 или 1,2 мм, сформировав почти двумерную конфигурацию.
Затем с помощью вибрационного метода они трясли коробку с частотой ровно 120 герц в течение примерно 170 часов. В течение этого времени они фиксировали изменения в конфигурации бусин. Результат оказался удивительным: бусинки были организованы в тонкий квазикристалл, самый большой из когда-либо созданных.
Выявлены сложные закономерности
Анализ данных, полученных в ходе эксперимента, показал сложность узора, образованного квазикристаллом. Квазикристалл состоял из трех основных элементов, сформированных особым расположением стальных шариков.
Первый элемент — треугольник, состоящий из трех больших шариков, между которыми располагался шарик меньшего размера. Второй элемент — квадрат, образованный четырьмя большими шарами, в центре которого располагались либо один, либо четыре шара меньшего размера. Эти узоры, несмотря на кажущуюся простоту, создавали общую структуру большой сложности.
Эти фигуры, уложенные на поверхность стола, покрывали его, как плитка. Однако, в отличие от обычной плитки, где каждая плитка идентична предыдущей, здесь «плитки» никогда не повторяются абсолютно одинаково. Каждое расположение бусин, хотя и похоже на другие, имеет тонкие отличия, которые делают общую структуру неповторяющейся.
Это наблюдение характерно для квазикристаллов. Несмотря на то что узоры в них повторяются, эти повторения никогда не бывают абсолютно идентичными, что приводит к появлению структур большой сложности и красоты.
Захватывающие последствия для будущего
Демонстрируя возможность создания квазикристаллов в гораздо больших масштабах, чем обычно, данное исследование значительно расширяет спектр материалов и технологий, которые могут быть использованы для их изготовления.
Одной из основных задач исследования квазикристаллов является определение условий, при которых система наиболее устойчива в форме квазикристалла. Особенно сложным этот вопрос является для систем частиц, находящихся в движении или претерпевающих многочисленные столкновения. Вибрационная техника, используемая в данном эксперименте, может предложить новый подход к решению этой проблемы.
Кроме того, эта работа может иметь важные последствия для разработки новых материалов. Квазикристаллы обладают уникальными свойствами, такими как низкая теплопроводность и высокая твердость, которые могут быть использованы в различных областях, от электроники до аэрокосмической промышленности. Возможность создания квазикристаллов из более крупных строительных блоков может также позволить разрабатывать материалы с еще более разнообразными свойствами, отвечающими конкретным задачам.
По мнению авторов, это исследование будет иметь значение и для фундаментального понимания материи. Действительно, по своей природе квазикристаллы бросают вызов нашим традиционным представлениям об организации материи. Исследуя границы возможного, мы можем открыть новые принципы и новые законы, управляющие окружающим нас миром.