Нобелевская премия этого года по химии переходит к ученому, спорное открытие которого вынудило химиков пересмотреть понятие кристалла. В 1982 Дэниел Шечтмен из Технологического института Израиля в Хайфе обнаружил сплав алюминия и марганца, который, казалось, имел пятикратную симметрию — т.е. атомы в нем сформировали образец, появившийся по существу то же, когда вращается одной пятой поворота или 72 градусами. Другие исследователи насмехались, договоренность как таковая, как думали, была математически невозможна.
Все же ученые в конечном счете поняли, что атомы в теле могут достигнуть такой симметрии путем устраивания в образце, почти, но никогда вполне повторяющемся — «квазикристалл».«Он действительно заслуживает Нобелевской премии по тому, чтобы возвестить этот новый вид фазы в химии — кристаллы, которые не являются кристаллами», говорит математик Оксфордского университета Роджер Пенроуз, игравший косвенную роль в объяснении материалов. Дэвид Филлипс, президент Королевского общества Великобритании Химии, сообщил в заявлении, что квазикристаллы «довольно красивы, и имеют возможное применение в защитных сплавах и покрытиях».
До открытия Шечтмена определение кристалла было материалом, в котором атомы устроены в регулярном образце, повторяющем себя. То определение помещает пределы на симметрию, которую кристалл может иметь как телевикторины простого ребенка.
Предположим, что Вы хотите покрыть стол путем подготовки идентичных плиток. Повторяющийся образец треугольников добивается цели, таким образом, возможно сделать кристаллы с трехкратной симметрией.
Квадраты или шестиугольники также работают, таким образом, кристаллы с четырехкратной и шестикратной симметрией могут также быть сделаны. Но пятиугольники не будут работать; всегда будут промежутки между ними. Таким образом повторяющийся кристалл с пятикратной симметрией невозможен.Тем не менее, Шечтмен видел то, что он видел.
Утром от 8 апреля 1982, при работе в Национальном институте стандартов и технологий в Гейтерсбурге, Мэриленд, он взял образец сплава алюминия и марганца, который он охладил быстро, чтобы помешать ему кристаллизовать и запустил луч электронов в него. Если бы было организованное расположение атомов в материале, то электроны «дифрагировали» бы от различных самолетов атомов в нем и появились бы под определенными углами для производства распознаваемого образца в датчике. Шечтмен видел образец дифракции в отличие от любого, которого он видел прежде: концентрические круги ярких точек, каждый круг с 10 точками в нем.
Счета указали на невозможную симметрию.Шечтмен проверил и перепроверил свой эксперимент каждым способом, которым он мог.
Когда он наконец сказал коллегам о его открытии, он был встречен увольнением и насмешкой. Его требования вызвали такое затруднение, что его босс попросил, чтобы он оставил исследовательскую группу.
Результаты потянули подобный враждебный ответ, когда он наконец издал их в Physical Review Letters в ноябре 1984. «Я получил сердитое письмо от Линуса Полинга [выдающийся критик]», говорит Пенроуз. Но медленно другой crystallographers выступал вперед с подобными результатами, которые они ранее отклонили как доказательства являемых точной копией кристаллов — пары кристаллов с различными ориентациями, росшими рядом, чья граница вызывает необычные образцы дифракции.Как только ученые убедили себя, что образцы дифракции были реальны, они должны были выяснить, как атомы были устроены. Ответ прибыл от математиков, как дети, думавших об образцах плиток.
Некоторые ломали голову над любопытными мозаиками, имеющими ограниченное число плиток различной формы, и это совместилось в образцах, никогда не повторявших себя. Такие мозаики использовались арабскими художниками уже в 13-м веке для украшения зданий, таких как Дворец Альгамбры в Гранаде, Испания.
Математики в 1960-х и 70-х стремились найти самое маленькое число плиток, которые могли произвести такой апериодический образец. В середине 1970-х Пенроуз придумал ряд всего двух ромбов, сделавших работу.
Просто смотря на образец Пенроуза, каждый видит много пятиугольников и десятиугольников.Тот набор много химиков, думающих о том, могли ли бы атомы принять подобный образец. Кристаллогрэпэр Алан Маккей построил модель с кругами, представляющими атомы в углах плиток Пенроуза, и вычислил, какой образец дифракции она произведет.
Ответ: яркие точки в кругу с 10-кратной симметрией. Пауль Штайнхардт, который был тогда в Университете Пенсильвании и его студенте Дове Левине, также создавал теоретические структуры на основе Пенроуза, кроющего черепицей. Когда коллега показал Штайнхардту предварительную печать первой статьи Шечтмена осенью 1984 года, «Я подскочил в воздухе.
Эти два, подобранные глазом красиво», говорит он. Штайнхардт и Левин опубликовали работу вскоре после соединения Шечтмена его наблюдений к подобным Penrose структурам и ввели термин «квазикристалл».Очень останьтесь тайной о квазикристаллах, такой как, как такие сложные разносторонние структуры могут сформироваться из отдельных атомов. «Они не могут быть произведены просто с местными правилами; должен быть некоторый тонкий вид производства», говорит Пенроуз.
Штайнхардт соглашается. «Математические методы, которые мы используем на кристаллах, не работают над квазикристаллами», говорит он. «Мы не можем предсказать их свойства так хорошо».Квазикристаллы были найдены в природе, минерал обнаружил 3 года в Горах Koryak в восточной России. Они были также найдены в одной из самых надежных сталей в мире, сделанных компанией в Швеции для лезвий и хирургических игл.
Они начинают находить, что другое промышленное применение, такое как не допускающие пригорания покрытия в кастрюлях, теплоизоляция в двигателях, и как термоэлектрические материалы спасает использованное тепло. «Квазикристаллы Шечтмена теперь широко используются для улучшения механических свойств технических материалов и являются основанием совершенно нового отделения структурной науки», сообщил Эндрю Гудвин Оксфорда в заявлении. «Если существует один определенный урок, мы берем от его исследования, он не должен недооценивать воображение природы самостоятельно».Что касается определения кристалла, в 1992 Международный союз Кристаллографии изменил свое определение кристалла от регулярного множества повторения атомов к «любому телу, имеющему чрезвычайно дискретный образец дифракции».