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.
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.
