Quasicrystal:Πώς έφτασε από το αδύνατο να κερδίσει ένα βραβείο Νόμπελ;

Από την ανακάλυψη της κρυσταλλογραφίας το 1912, πολλοί κρύσταλλοι και οι γεωμετρικές τους λεπτομέρειες έχουν μελετηθεί, αλλά τίποτα δεν δημιούργησε ένα χάσμα στην επιστημονική κοινότητα όπως οι οιονεί κρύσταλλοι. Η απαγορευμένη συμμετρία και η περιοδική τους διάταξη έχει ανοίξει έναν εντελώς νέο κόσμο υλικών για εμάς.

Στις 8 Απριλίου 1982, ο Dan Shechtman, ένας Ισραηλινός επιστήμονας, εργαζόταν μόνος σε ένα εργαστήριο στο Εθνικό Γραφείο Προτύπων (τώρα NIST) στο Μέριλαντ. Μελετούσε τα δείγματα υλικού του κάτω από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (TEM) όταν είδε κάτι αδύνατο—ένα απίστευτο όραμα, ένα πλάσμα;

Δοκίμασε μια σειρά από διαφορετικές τεχνικές για να επαληθεύσει ξανά αυτό που είχε παρατηρήσει, αλλά δεν έγινε λάθος. Η ουσία που ανακάλυψε εμφάνιζε σαφώς ιδιότητες που απαγορεύονται από τους νόμους της φυσικής.

Στην πραγματικότητα, είχε σκοντάψει σε κάτι που θα άλλαζε την αντίληψη του κόσμου για την ύλη για πάντα. Ο Νταν Σέχτμαν είχε ανακαλύψει τους Οιονεί κρυστάλλους— το απαγορευμένο θέμα.

Πιο συγκεκριμένα, ανακάλυψε κάτι που δεν έπρεπε να υπάρχει… αλλά υπάρχει!

Γιατί δεν είναι κρύσταλλος;

Όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι «σχεδόν» κρύσταλλα, αλλά όχι ακριβώς έτσι, με την παραδοσιακή έννοια. Για να καταλάβετε γιατί δεν κρύσταλλοι, πρώτα πρέπει να μάθουμε τι είναι ένα κρύσταλλο.

Ο κρύσταλλος είναι μια ουσία με κανονική διάταξη ατόμων που είναι διατεταγμένα και περιοδικά. Σχηματίζονται από τη συναρμολόγηση βασικών επαναλαμβανόμενων δομών γνωστών ως κυψέλες μονάδας. Φανταστείτε έναν κύβο του Ρούμπικ ως ένα μόνο κρύσταλλο και όλα αυτά τα μικροσκοπικά τετράγωνα ως μοναδιαία κελιά.

Τα κελιά μονάδας επαναλαμβάνονται σε 3 διαστάσεις και δημιουργούν ένα δίκτυο γνωστό ως κρυσταλλικό πλέγμα. Αυτό το πλέγμα καθορίζει το σχήμα ή τη γεωμετρία ενός κρυστάλλου. Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τους κρυστάλλους και τα κρυσταλλικά συστήματα, κάντε κλικ εδώ.

Οι περισσότεροι από εμάς γνωρίζουμε ότι τα στερεά είναι είτε κρύσταλλοι είτε άμορφες σκόνες, άρα αυτό σημαίνει ότι οι οιονεί κρύσταλλοι είναι άμορφοι; Οχι, δεν είναι. Στα άμορφα υλικά, η διάταξη των ατόμων ή των μορίων είναι εντελώς τυχαία και ακανόνιστη.

Στα ημικρυσταλλικά υλικά, η διάταξη των ατόμων ή των μορίων είναι διατεταγμένη και απεριοδική. Οι ατομικές δομές είναι διατεταγμένες με τέτοιο τρόπο ώστε να μην υπάρχουν κενά μεταξύ των δομών, αλλά κανένα σχέδιο να μην επαναλαμβάνεται ποτέ. Οι δομές επαναλαμβάνονται σε όλο το μοτίβο, αλλά σε εντελώς διαφορετικούς προσανατολισμούς κάθε φορά.

Το πρώτο οιονεί κρυσταλλικό υλικό που ανακαλύφθηκε ήταν ένα στερεοποιημένο κράμα αλουμινίου και μαγγανίου (10-14%). Το σχέδιο περίθλασης ηλεκτρονίων αποκάλυψε την εικοσαεδρική, πενταπλάσια περιστροφική γεωμετρία του υλικού. Αυτή η απαγορευμένη συμμετρία του κρυστάλλου του έδωσε την ετικέτα του "αδύνατου".

(Φωτογραφία:Cyp /Wikimedia Commons

Γιατί θεωρήθηκε αδύνατο;

Πιθανότατα έχετε παρατηρήσει ότι οι λέξεις «απαγορευμένη συμμετρία», «διατεταγμένη» και «περιοδική» συνεχίζουν να εμφανίζονται στο κείμενο. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτές οι λέξεις κατέχουν την ουσία αυτού που κάνει έναν οιονεί κρύσταλλο τόσο ξεχωριστό. Για να κατανοήσουμε τι σημαίνουν αυτές οι λέξεις σε αυτό το πλαίσιο, πρέπει να δώσουμε προσοχή στις διαστάσεις και τα σχήματα.

Ας ξεκινήσουμε με αυτό που κάνει μια μορφή συμμετρίας «απαγορευμένη». Φανταστείτε ότι έχετε πλακίδια 5 διαφορετικών σχημάτων με διαφορετικές περιστροφικές συμμετρίες:1) ένα ορθογώνιο με διπλή περιστροφική συμμετρία (δηλαδή, εάν περιστρέψετε ένα ορθογώνιο σε ένα επίπεδο, θα υπάρχουν δύο περιπτώσεις όπου τα σχήματα φαίνονται πανομοιότυπα). 2) ένα τρίγωνο με τριπλή συμμετρία. 3) ένα τετράγωνο με τετραπλή συμμετρία. 4) ένα πεντάγωνο με 5πλάσια συμμετρία. και 5) ένα εξάγωνο με 6πλάσια συμμετρία.

Το καθήκον μας είναι να βάλουμε πλακάκια στους τοίχους με αυτά τα σχήματα, χωρίς να αφήνουμε κενό μεταξύ.

(Φωτογραφία:Shutterstock &Wikimedia Commons)

Μπορούμε να δούμε ότι τα σχήματα 1, 2, 3 και 5 μπορούν εύκολα να τοποθετηθούν χωρίς κενά μεταξύ των πλακιδίων, αλλά αυτό δεν ισχύει για το πλακίδιο 4, το πεντάγωνο. Ανεξάρτητα από το πώς περιστρέφετε τα πλακάκια, δεν υπάρχει τρόπος να τα συσκευάσετε χωρίς να αφήσετε κενό μεταξύ τους. Οι γωνίες απλά δεν ταιριάζουν μεταξύ τους.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μια μοριακή ή ατομική δομή με πενταπλάσια περιστροφική συμμετρία ή οποιονδήποτε αριθμό μεγαλύτερο από το 6 θεωρήθηκε απαγορευμένη στο σχηματισμό κρυστάλλου, επειδή ένας κρύσταλλος απαιτεί σχήματα που μπορούν να συσκευαστούν χωρίς κενό. Ένας οιονεί κρύσταλλος αντιμετωπίζει αυτό το πρόβλημα με μια τακτοποιημένη, αλλά μη περιοδική διάταξη, παρόμοια με τα πλακίδια Penrose.

Τώρα, ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε τι εννοούμε με τον όρο διατεταγμένο, περιοδικό και σχεδόν περιοδικό (ή απεριοδικό) και στις τρεις διαστάσεις.

Σειρά, περιοδικότητα και σχεδόν περιοδικότητα μέσω διαστάσεων

Τα μαθηματικά πίσω από αυτό είναι πραγματικά συναρπαστικά. Μια δομή χάνει την περιοδικότητά της όταν προβάλλεται σε χαμηλότερη διάσταση. Εάν ζούσαμε σε έναν δισδιάστατο κόσμο όπου ήμασταν όλοι φιγούρες, η διατεταγμένη και περιοδική τρισδιάστατη δομή ενός κρυστάλλου NaCl θα θεωρούνταν απεριοδική. Ομοίως, κάπου σε έναν κόσμο 6D, οι οιονείπεριοδικοί κρύσταλλοι θεωρούνται τέλεια διατεταγμένοι και περιοδικοί.

Μοτίβο περίθλασης ηλεκτρονίων του εικοσαεδρικού οιονεί κρυστάλλου (Προσφορά φωτογραφίας :Paul Steinhardt/Wikimedia Commons)

Αν κοιτάξετε προσεκτικά το σχέδιο περίθλασης και προσπαθήσετε να συνδέσετε τις φωτεινές κουκκίδες (όπως φαίνεται στην εικόνα), θα βρείτε τρία πεντάγωνα διαφορετικών μεγεθών. Τα μεγέθη αυτών των πενταγώνων ακολουθούν τη χρυσή τομή ή τη σειρά Fibonacci. Τελικά φαίνεται ότι όλα είναι συνδεδεμένα!

Τι το κάνει διαφορετικό;

Θα μπορούσαν να υπάρχουν όχι μόνο η μορφή συμμετρίας, αλλά πολλές άλλες παράμετροι για το τι το κάνει διαφορετικό από τον κρύσταλλο. Ένα από αυτά θα μπορούσε να είναι το πώς μεγαλώνει ένας τέτοιος οιονεί κρύσταλλος.

Κατά την αυτοσυναρμολόγηση ή την ανάπτυξη ενός κρυστάλλου, τα άτομα αλληλεπιδρούν με τους γείτονές τους σαν ένα παιχνίδι τηλεφώνου. Ένα άτομο περνά ένα μήνυμα στο επόμενο άτομο σχετικά με το πώς και πού να σχηματιστεί ένας δεσμός. Αυτή η ανάπτυξη προτύπου δημιουργεί ένα κανονικό δίκτυο.

Ωστόσο, σύμφωνα με τις προσομοιώσεις που διεξήγαγαν οι Glotzer και Engels στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, τα άτομα στους οιονεί κρυστάλλους αλληλεπιδρούν επίσης μεταξύ τους, αλλά όχι με το αμέσως επόμενο. Αλληλεπιδρούν με αυτά που απέχουν τρία άτομα από αυτά. Στη συνέχεια, κάθε σωματίδιο σχηματίζει πυρήνα στο κέντρο, αναπτύσσεται προς τα έξω και δημιουργώντας μια δενδριτική μορφή όπως το πλακάκι Penrose.

Παρόλο που η σχεδόν περιοδικότητα ακούγεται πολύ εξωτική, δεν είναι πολύ σπάνια. Υπάρχουν πολλά αλουμίνιο και άλλα μεταλλικά κράματα που είναι κατασκευασμένα από σταθερούς οιονείπεριοδικούς κρυστάλλους. Τα περισσότερα από αυτά λαμβάνονται συνθετικά, αλλά οι επιστήμονες έχουν βρει τρεις φυσικούς οιονεί κρυστάλλους από ένα κομμάτι βράχου που έπεσε από το διάστημα. Ο μετεωρίτης Khatyrka στη Ρωσία φιλοξενεί όλα τα φυσικά QC που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα.

Γιατί είναι σημαντικοί οι οιονεί κρύσταλλοι;

Οι Quasicrystals (QCs) έχουν μοναδικές ηλεκτρονικές, οπτικές και μηχανικές ιδιότητες. Τα QC μπορεί να είναι εύθραυστα από μόνα τους, αλλά μπορούν να ενισχύσουν τον χάλυβα και να τον κάνουν τόσο ισχυρό όσο πανοπλία. Λόγω των αντικολλητικών και ανθεκτικών στις γρατσουνιές ιδιότητές τους, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την επίστρωση σκευών αντί για τεφλόν. Έχουν χαμηλό συντελεστή τριβής και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στη σύνθεση υπερρευστών (ρευστά με μηδενική έως αμελητέα ταχύτητα).

Τα QC θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ακόμη και για τη βελτίωση των υλικών καμουφλάζ. Αυτό που βλέπουμε εξαρτάται από το πώς το φως αναπηδά από το σώμα. Η χωρική διάταξη των ατόμων σε εικοσαεδρικούς κρυστάλλους θα μπορούσε ενδεχομένως να βοηθήσει στον χειρισμό του φωτός έτσι ώστε να κρύβεται η πραγματική φυσική εμφάνιση ενός αντικειμένου. Κάποια μέρα μπορεί να έχουμε έναν εξαφανιζόμενο ελικοβόλο από τις ταινίες The Avengers!

Η ανακάλυψη των QC επαναπροσδιόρισε επίσης τι σημαίνει ο όρος «κρύσταλλος». Το 1994, η Διεθνής Ένωση Κρυσταλλογράφων όρισε έναν κρύσταλλο ως «Στερεό που έχει ουσιαστικά διακριτό σχέδιο περίθλασης». Αυτός ο επαναπροσδιορισμός τελικά δημιούργησε χώρο για οιονείπεριοδικούς κρυστάλλους.

Συμπέρασμα

Αυτό που κάνει τους οιονεί κρυστάλλους όμορφους δεν είναι μόνο η περίπλοκη μικροδομή τους, αλλά και η απόλυτη πεισματικότητα του ανακάλυπτά τους. Για χρόνια ήταν αποδέκτης σκεπτικισμού από την επιστημονική κοινότητα. Πολλές από τις αρχικές του εργασίες απορρίφθηκαν από έντυπα περιοδικά. Αφού το έργο του δημοσιεύτηκε τελικά το 1984, δημιούργησε έναν κυματισμό στην επιστημονική κοινότητα. Κάποιοι επαίνεσαν το έργο του, ενώ πολλοί άλλοι παρέμειναν κυνικοί με τα ευρήματά του.

Ακόμη και μεγάλα ονόματα της χημείας, όπως ο Linus Pauling, έλεγαν ότι «ο Danny Shechtman λέει ανοησίες. Δεν υπάρχουν οιονεί κρύσταλλοι, απλώς οιονεί επιστήμονες». Ο Pauling, μέχρι την ημέρα που πέθανε, προσπάθησε να διαψεύσει την ύπαρξη QC.

Η πίστη του Dan Shechtman στο έργο του άνοιξε νέες και συναρπαστικές πόρτες για τους επιστήμονες να αποκαλύψουν την ύπαρξη ακόμη περισσότερων τέτοιων εκπληκτικών και αδύνατων υλικών. Η ανακάλυψή του τον οδήγησε επίσης να κερδίσει το Νόμπελ Χημείας 2011!