Квазикристали: Химическата мозайка
Преди повече от 30 години израелски академик на име Даниел Шехтман поглежда през електронния микроскоп и открива химична конструкция, която опонира на всички закони за природата. Нарича я квазикристали, написа obekti.bg.
Неговите сътрудници я отхвърлят на мига, а Шехтман е заставен да напусне изследователския екип, в който работи, защото настойчиво пази находката си. Чак през 2011 година упоритостта му е възнаградена – вследствие на това, че той дръзва да посегне оттатък границите на одобрената просвета, Шехтман най-сетне получава Нобелова премия за химия и потвърждава, че постоянно не познанието, а въображението е ключът към огромните открития.
Преди да стигнем до това какво в действителност са квазикристалите обаче, дано стартираме с
„ обичайните “ кристали.
За доста от нас определението за кристал се свежда или до лъскавите бижута на витрините, или пък до оня кичозен сервиз, който получихме/подарихме за сватбата. За учените, несъмнено, това определение не е задоволително. То е поразширено, понапудрено с няколко комплицирани думи и изрази и стига до такава степен, че в него попада даже и (все по-малко) познатият ни графит от моливите.
Причината е, че за химиците и физиците външният тип не е значим и те се интересуват от структурата, освен това на атомно равнище. Преди откритието на Шехтман за кристал е минавала всяка подредена и периодическа конструкция.
Ако „ периодическа конструкция “ ви звучи ужасно, то
представете си следното. Имаме едно празно пространство –
да речем, че е склад. Разполагаме избран брой кашони, с които би трябвало да го запълним. Най-логичното, което можем да създадем, е да ги подредим компактно един до различен. Това, което се получава, е периодическа конструкция. Изводите са доста елементарни – знаем, че на пет кашона разстояние в която и да е допустима посока от който и да е кашон ще намерим… отново кашон.
В кристалографията, несъмнено, се считат за задоволително образовани, че да не местят кашони, само че пък назовават основата на нашия образец „ обикновена клетка “. Чрез повторение на обикновената клетка в трите вероятни направления можем да запълним целия кристал. Така, когато знаем ситуацията на даден атом в обикновената клетка, няма по какъв начин да се „ изгубим “ в кристала. Лесно можем да намерим същия атом на същото място, на разстояние няколко обикновени кафези в която и да е посока. Всичко се повтаря. Именно това значи, че структурата е периодическа.
При квазикристалите обаче това не е тъкмо по този начин.
Нека се върнем в склада с кашоните и да си представим, че те не са тъкмо правоъгълни, а по-скоро ромбоидни. Това не е ненормално и за кристалите – в множеството случаи обикновената клетка не е с кубична форма.
Единият вид да се оправим с ромбоидните кашони е отново да ги наредим компактно един до различен, а по-късно ред по ред. Тогава още веднъж ще получим периодическа конструкция, каквато има и в кристалографията – по този начин е построен графитът.
Един английски математик на име Роджър Пенроуз обаче се зачудил дали няма и други способи, по които да се подредят ромбоидните форми – по този начин, че да се получи непериодична конструкция. През 70-те години на предишния век той я измислил, въодушевен от ислямските мозайки, и до ден сегашен тя е позната като мозайка на Пенроуз. Тя не е периодическа, само че пък е подредена и много симетрична.
Именно такава конструкция открива и Даниел Шехтман. През 80-те години той изследвал структурата на бързо охладени железни сплави от магнезий и алуминий. Те са от интерес за химията, защото, когато стопен метал се охлади и втвърди бързо, неговите атоми нямат време да се подредят и се получават материали с доста забавни свойства. Те може да са по-здрави, по-леки, даже аморфни, като железни стъкла.
Структурата, която разкрил Шехтман, обаче не била аморфна – тя взаимодействала с рентгенови лъчи тъкмо по този начин, както всеки един спретнат кристал би го направил. Поради това, че рентгеновите лъчи са с задоволително дребна дължина на вълната, с цел да се „ промушат “ сред атомите в кристалите, те постоянно се употребяват за проучване на структурата им.
Периодичната конструкция на кристала води до приемане на така наречен дифракционна картина, която се състои от голям брой точки, съответстващи на позицията на атомите в обикновената клетка и метода, по който тя се повтаря в размера на кристала. Картината, която Шехтман следил, обаче не била разумна – тя показвала, че
неговият материал е бистър, само че се състои от елементи, които не се повтарят в пространството .
Т.е. той е апериодичен. Първоначално сътрудниците на Шехтман въобще не одобряват откритието. Един от колосите на химията, Линус Полинг, притежател на две Нобелови награди, даже го осмива, като загатва, че може би Шехтман би трябвало да се върне в студентските си години и да си напомни учебниците по кристалография.
Въпреки това Шехтман разгласява откритието си и няколко години по-късно квазикристалите към този момент са шлагер. Много негови сътрудници се връщат към остарели свои резултати, които преди време са взели за сбъркани, и откриват, че в действителност са получили квазикристали.
Квазикристалите са били откривани и преоткривани години наред, без някой да се осмели да изясни резултатите си. Десет години по-късно откритието на Шехтман води до това, че определението за кристал се трансформира, като от него отпада условието да е с транслационна симетричност и за главно условие се слага това да са подредена конструкция, която при проучване с рентгенова дифракция да дава дифракционна картина.
Освен че са красиви , квазикристалите имат и забавни свойства .
Например те са доста твърди – за разлика от „ елементарните “ кристали, където всяка слаба връзка във или сред обикновените кафези се повтаря неведнъж и от време на време в обещано направление и води до чупливост, - апериодичната конструкция на квазикристалите попречва това. Първите синтетични квазикристали са били много нестабилни и при загряване са променяли свойствата си, само че през днешния ден сходни материали се употребяват да вземем за пример за изработка на медицински принадлежности и в техниката.
Преди три години в Русия бе направено още едно любопитно изобретение, обвързвано с квазикристалите – те в действителност се срещат и в природата! Нещо, за което учените са се питали години наред след откритието на Шехтман.
Търсенето им се трансформирало в извънредно систематична работа, при която били изследвани над 10 хиляди разнообразни минерала. През 2009 година идва и пробивът - екип отпред с физика Пол Стейнхард от Принстън изследва проба извънредно необичаен минерал, открит в едно от най-затънтените кътчета на Камчатка, планината Коряк. В нея са открити следи от минерала стисховит, който се свързва с попадения на астероиди върху земната повърхнина. В едно от дребните кристалчета пък, с размер, непосредствен до този на човешки косъм, се озовава дребен кристал с квазикристална конструкция.
Това допуска, че в тази ситуация материалът е привнесен от Космоса
и че материали с сходна конструкция са се получавали още в самото начало на Слънчевата ни система. Дали това в действителност е по този начин? Можем единствено да допускаме.
Едно обаче е несъмнено - даже когато си мислим, че знаем съвсем всичко за света към нас, към момента е допустимо да бъдат направени огромни открития. И квазикристалите на Шехтман са най-яркото доказателство за това, без значение дали са „ галактически “ или не.
Божидар Стефанов
Неговите сътрудници я отхвърлят на мига, а Шехтман е заставен да напусне изследователския екип, в който работи, защото настойчиво пази находката си. Чак през 2011 година упоритостта му е възнаградена – вследствие на това, че той дръзва да посегне оттатък границите на одобрената просвета, Шехтман най-сетне получава Нобелова премия за химия и потвърждава, че постоянно не познанието, а въображението е ключът към огромните открития.
Преди да стигнем до това какво в действителност са квазикристалите обаче, дано стартираме с
„ обичайните “ кристали.
За доста от нас определението за кристал се свежда или до лъскавите бижута на витрините, или пък до оня кичозен сервиз, който получихме/подарихме за сватбата. За учените, несъмнено, това определение не е задоволително. То е поразширено, понапудрено с няколко комплицирани думи и изрази и стига до такава степен, че в него попада даже и (все по-малко) познатият ни графит от моливите.
Причината е, че за химиците и физиците външният тип не е значим и те се интересуват от структурата, освен това на атомно равнище. Преди откритието на Шехтман за кристал е минавала всяка подредена и периодическа конструкция.
Ако „ периодическа конструкция “ ви звучи ужасно, то
представете си следното. Имаме едно празно пространство –
да речем, че е склад. Разполагаме избран брой кашони, с които би трябвало да го запълним. Най-логичното, което можем да създадем, е да ги подредим компактно един до различен. Това, което се получава, е периодическа конструкция. Изводите са доста елементарни – знаем, че на пет кашона разстояние в която и да е допустима посока от който и да е кашон ще намерим… отново кашон.
В кристалографията, несъмнено, се считат за задоволително образовани, че да не местят кашони, само че пък назовават основата на нашия образец „ обикновена клетка “. Чрез повторение на обикновената клетка в трите вероятни направления можем да запълним целия кристал. Така, когато знаем ситуацията на даден атом в обикновената клетка, няма по какъв начин да се „ изгубим “ в кристала. Лесно можем да намерим същия атом на същото място, на разстояние няколко обикновени кафези в която и да е посока. Всичко се повтаря. Именно това значи, че структурата е периодическа.
При квазикристалите обаче това не е тъкмо по този начин.
Нека се върнем в склада с кашоните и да си представим, че те не са тъкмо правоъгълни, а по-скоро ромбоидни. Това не е ненормално и за кристалите – в множеството случаи обикновената клетка не е с кубична форма.
Единият вид да се оправим с ромбоидните кашони е отново да ги наредим компактно един до различен, а по-късно ред по ред. Тогава още веднъж ще получим периодическа конструкция, каквато има и в кристалографията – по този начин е построен графитът.
Един английски математик на име Роджър Пенроуз обаче се зачудил дали няма и други способи, по които да се подредят ромбоидните форми – по този начин, че да се получи непериодична конструкция. През 70-те години на предишния век той я измислил, въодушевен от ислямските мозайки, и до ден сегашен тя е позната като мозайка на Пенроуз. Тя не е периодическа, само че пък е подредена и много симетрична.
Именно такава конструкция открива и Даниел Шехтман. През 80-те години той изследвал структурата на бързо охладени железни сплави от магнезий и алуминий. Те са от интерес за химията, защото, когато стопен метал се охлади и втвърди бързо, неговите атоми нямат време да се подредят и се получават материали с доста забавни свойства. Те може да са по-здрави, по-леки, даже аморфни, като железни стъкла.
Структурата, която разкрил Шехтман, обаче не била аморфна – тя взаимодействала с рентгенови лъчи тъкмо по този начин, както всеки един спретнат кристал би го направил. Поради това, че рентгеновите лъчи са с задоволително дребна дължина на вълната, с цел да се „ промушат “ сред атомите в кристалите, те постоянно се употребяват за проучване на структурата им.
Периодичната конструкция на кристала води до приемане на така наречен дифракционна картина, която се състои от голям брой точки, съответстващи на позицията на атомите в обикновената клетка и метода, по който тя се повтаря в размера на кристала. Картината, която Шехтман следил, обаче не била разумна – тя показвала, че
неговият материал е бистър, само че се състои от елементи, които не се повтарят в пространството .
Т.е. той е апериодичен. Първоначално сътрудниците на Шехтман въобще не одобряват откритието. Един от колосите на химията, Линус Полинг, притежател на две Нобелови награди, даже го осмива, като загатва, че може би Шехтман би трябвало да се върне в студентските си години и да си напомни учебниците по кристалография.
Въпреки това Шехтман разгласява откритието си и няколко години по-късно квазикристалите към този момент са шлагер. Много негови сътрудници се връщат към остарели свои резултати, които преди време са взели за сбъркани, и откриват, че в действителност са получили квазикристали.
Квазикристалите са били откривани и преоткривани години наред, без някой да се осмели да изясни резултатите си. Десет години по-късно откритието на Шехтман води до това, че определението за кристал се трансформира, като от него отпада условието да е с транслационна симетричност и за главно условие се слага това да са подредена конструкция, която при проучване с рентгенова дифракция да дава дифракционна картина.
Освен че са красиви , квазикристалите имат и забавни свойства .
Например те са доста твърди – за разлика от „ елементарните “ кристали, където всяка слаба връзка във или сред обикновените кафези се повтаря неведнъж и от време на време в обещано направление и води до чупливост, - апериодичната конструкция на квазикристалите попречва това. Първите синтетични квазикристали са били много нестабилни и при загряване са променяли свойствата си, само че през днешния ден сходни материали се употребяват да вземем за пример за изработка на медицински принадлежности и в техниката.
Преди три години в Русия бе направено още едно любопитно изобретение, обвързвано с квазикристалите – те в действителност се срещат и в природата! Нещо, за което учените са се питали години наред след откритието на Шехтман.
Търсенето им се трансформирало в извънредно систематична работа, при която били изследвани над 10 хиляди разнообразни минерала. През 2009 година идва и пробивът - екип отпред с физика Пол Стейнхард от Принстън изследва проба извънредно необичаен минерал, открит в едно от най-затънтените кътчета на Камчатка, планината Коряк. В нея са открити следи от минерала стисховит, който се свързва с попадения на астероиди върху земната повърхнина. В едно от дребните кристалчета пък, с размер, непосредствен до този на човешки косъм, се озовава дребен кристал с квазикристална конструкция.
Това допуска, че в тази ситуация материалът е привнесен от Космоса
и че материали с сходна конструкция са се получавали още в самото начало на Слънчевата ни система. Дали това в действителност е по този начин? Можем единствено да допускаме.
Едно обаче е несъмнено - даже когато си мислим, че знаем съвсем всичко за света към нас, към момента е допустимо да бъдат направени огромни открития. И квазикристалите на Шехтман са най-яркото доказателство за това, без значение дали са „ галактически “ или не.
Божидар Стефанов
Източник: blitz.bg
КОМЕНТАРИ