Квазикристали: Химическата мозайка

Преди повече от 30 години израелски учен на име Даниел Шехтман поглежда през електронния микроскоп и открива химична структура, която противоречи на всички закони за природата. Нарича я квазикристали, пише obekti.bg.

Неговите колеги я отхвърлят на мига, а Шехтман е принуден да напусне изследователския екип, в който работи, тъй като упорито защитава находката си. Чак през 2011 г. упоритостта му е възнаградена – в резултат на това, че той дръзва да посегне отвъд границите на утвърдената наука, Шехтман най-накрая получава Нобелова награда за химия и доказва, че често не познанието, а въображението е ключът към големите открития.

Преди да стигнем до това какво всъщност са квазикристалите обаче, нека започнем с

„традиционните“ кристали.

За много от нас определението за кристал се свежда или до лъскавите бижута на витрините, или пък до онзи кичозен сервиз, който получихме/подарихме за сватбата. За учените, разбира се, това определение не е достатъчно. То е поразширено, понапудрено с няколко сложни думи и изрази и стига дотам, че в него попада дори и (все по-малко) познатият ни графит от моливите.

Причината е, че за химиците и физиците външният вид не е важен и те се интересуват от структурата, при това на атомно ниво. Преди откритието на Шехтман за кристал е минавала всяка подредена и периодична структура.

Ако „периодична структура“ ви звучи страшно, то

представете си следното. Имаме едно празно пространство –

да речем, че е склад. Разполагаме определен брой кашони, с които трябва да го запълним. Най-логичното, което можем да направим, е да ги подредим плътно един до друг. Това, което се получава, е периодична структура. Изводите са много прости – знаем, че на пет кашона разстояние в която и да е възможна посока от който и да е кашон ще намерим… пак кашон.

В кристалографията, разбира се, се смятат за достатъчно образовани, че да не местят кашони, но пък наричат основата на нашия пример „елементарна клетка“. Чрез повтаряне на елементарната клетка в трите възможни посоки можем да запълним целия кристал. Така, когато знаем положението на даден атом в елементарната клетка, няма как да се „изгубим“ в кристала. Лесно можем да намерим същия атом на същото място, на разстояние няколко елементарни клетки в която и да е посока. Всичко се повтаря. Именно това означава, че структурата е периодична.

При квазикристалите обаче това не е точно така.

Нека се върнем в склада с кашоните и да си представим, че те не са точно правоъгълни, а по-скоро ромбоидни. Това не е ненормално и за кристалите – в повечето случаи елементарната клетка не е с кубична форма.

Единият вариант да се справим с ромбоидните кашони е пак да ги наредим плътно един до друг, а след това ред по ред. Тогава отново ще получим периодична структура, каквато има и в кристалографията – така е изграден графитът.

Един британски математик на име Роджър Пенроуз обаче се зачудил дали няма и други начини, по които да се подредят ромбоидните форми – така, че да се получи непериодична структура. През 70-те години на миналия век той я измислил, вдъхновен от ислямските мозайки, и до ден днешен тя е позната като мозайка на Пенроуз. Тя не е периодична, но пък е подредена и доста симетрична.

Именно такава структура открива и Даниел Шехтман. През 80-те години той изследвал структурата на бързо охладени метални сплави от магнезий и алуминий. Те са от интерес за химията, тъй като, когато стопен метал се охлади и втвърди бързо, неговите атоми нямат време да се подредят и се получават материали с много интересни свойства. Те може да са по-здрави, по-леки, дори аморфни, като метални стъкла.

Структурата, която открил Шехтман, обаче не била аморфна – тя взаимодействала с рентгенови лъчи точно така, както всеки един подреден кристал би го направил. Поради това, че рентгеновите лъчи са с достатъчно малка дължина на вълната, за да се „промушат“ между атомите в кристалите, те често се използват за изследване на структурата им.

Периодичната структура на кристала води до получаване на т.нар. дифракционна картина, която се състои от множество точки, съответстващи на позицията на атомите в елементарната клетка и начина, по който тя се повтаря в обема на кристала. Картината, която Шехтман наблюдавал, обаче не била логична – тя показвала, че

неговият материал е кристален, но се състои от части, които не се повтарят в пространството.

Т.е. той е апериодичен. Първоначално колегите на Шехтман изобщо не приемат откритието. Един от колосите на химията, Линус Полинг, носител на две Нобелови награди, дори го осмива, като намеква, че може би Шехтман трябва да се върне в студентските си години и да си припомни учебниците по кристалография.

Въпреки това Шехтман публикува откритието си и няколко години по-късно квазикристалите вече са хит. Много негови колеги се връщат към стари свои резултати, които преди време са взели за сгрешени, и откриват, че всъщност са получили квазикристали.

Квазикристалите са били откривани и преоткривани години наред, без някой да се осмели да обясни резултатите си. Десет години по-късно откритието на Шехтман води до това, че определението за кристал се променя, като от него отпада изискването да е с транслационна симетрия и за основно изискване се поставя това да са подредена структура, която при изследване с рентгенова дифракция да дава дифракционна картина.

Освен че са красиви, квазикристалите имат и интересни свойства.

Например те са много твърди – за разлика от „обикновените“ кристали, където всяка слаба връзка във или между елементарните клетки се повтаря многократно и периодично в дадено направление и води до крехкост, - апериодичната структура на квазикристалите възпрепятства това. Първите синтетични квазикристали са били доста нестабилни и при загряване са променяли свойствата си, но днес подобни материали се използват например за направа на медицински инструменти и в техниката.

Преди три години в Русия бе направено още едно любопитно откритие, свързано с квазикристалите – те всъщност се срещат и в природата! Нещо, за което учените са се питали години наред след откритието на Шехтман.

Търсенето им се превърнало в изключително систематична работа, при която били изследвани над 10 хил. различни минерала. През 2009 г. идва и пробивът - екип начело с физика Пол Стейнхард от Принстън изследва проба изключително рядък минерал, намерен в едно от най-затънтените кътчета на Камчатка, планината Коряк. В нея са открити следи от минерала стисховит, който се свързва с попадения на метеорити върху земната повърхност. В едно от миниатюрните кристалчета пък, с размер, близък до този на човешки косъм, се озовава малък кристал с квазикристална структура.

Това предполага, че в случая материалът е привнесен от Космоса

и че материали с подобна структура са се получавали още в самото начало на Слънчевата ни система. Дали това наистина е така? Можем само да предполагаме.

Едно обаче е сигурно - дори когато си мислим, че знаем почти всичко за света около нас, все още е възможно да бъдат направени големи открития. И квазикристалите на Шехтман са най-яркото доказателство за това, независимо дали са „космически“ или не.

Божидар Стефанов