Квазикристалите са най-странната материя във Вселената. Физиците най-накрая разбраха защо те могат да съществуват
Представете си свят от атоми. По предписание в него царува строга дисциплинираност. Атомите или се подреждат в съвършени, безпределно повтарящи се решетки като бойци на церемониал – това са кристалите. Диамант, сол, снежинка – всички те са образци за идеален ред. Или пък са в цялостен безпорядък, като тълпата на гарата – те са аморфни тела като елементарното стъкло на прозореца. Ред или хаос. Изглежда, че няма трето състояние.
Но какво би било, в случай че има нещо по средата? Материал, който е по едно и също време спретнат и все пак в никакъв случай не се повтаря? Дълго време самата концепция изглеждаше неуместна, до момента в който през 1982 година ученият Дан Шехтман откри тъкмо такава конструкция, за което по-късно получи Нобелова премия. Така светът научи за квазикристалите – най-странната и най-загадъчната форма на твърдата материя.
И главната мистерия е: по какъв начин въобще е допустимо те да са постоянни?
Между чука и наковалнята: трите ориси на атомите
За да разберем странностите на квазикристалите, дано се заемем с техните „ съседи “.
Кристалите са пример за стабилността. Структурата им наподобява на съвършено положен паркет, където всяка дъска е идентична и моделът се повтаря до безспир. От позиция на физиката тази настройка има минимална сила. Атомите са намерили своето най-удобно, „ безшумно “ място и с цел да ги раздвижите, би трябвало да приложите огромна мощ.
При стъклото (и другите аморфни тела) е тъкмо противоположното. То наподобява по-скоро на купчина от един и същи паркет, пренебрегнат безсистемно на пода. Структурата е застинала в случайно състояние. Тя наподобява твърда, само че в действителност е в метастабилно положение. Това значи, че системата не е намерила своя енергиен най-малко. Дайте ѝ задоволително време (хиляди години) или малко сила (нагряване) и атомите ще стартират да се пренареждат в опит да се трансфорат в пълностоен кристал.
От друга страна, квазикристалите нарушават тази елементарна логичност. Те имат непоколебим ред, само че нямат повтаряне – като мозайка, чийто модел в никакъв случай не се повтаря. Тази конструкция се назовава апериодична. Заради тази „ неточност “ физиците дълго време интуитивно ги класифицираха като метастабилни странни кристали, сходно на стъклото. Изглеждаше явно, че такава комплицирана и неповтаряща се конструкция не може да бъде енергийно удобна.
Колко доста са бъркали.
Енергията е всичко
Ключът, както постоянно се случва във физиката, се крие в понятието сила. Природата е мързелива и постоянно се стреми към положение с минимален разход на сила. Топката постоянно се търкаля надолу, а не нагоре. Горещият чай се охлажда, като отдава сила на околната среда. По сходен метод атомите, когато се съединяват, търсят онази настройка, за чието поддържане е належащо минимум количество сила.
Екип от учени от Мичиганския университет, управителен от Уенхао Сун, взема решение да ревизира остарялата догадка, като употребява най-мощния инструмент на нашето време – компютърното моделиране. Но това не е просто. Става дума за това, че общоприетите стратегии за пресмятане на атомните структури са „ прецизирани “, с цел да търсят честота. Те работят добре с кристалите, само че пред апериодичната мозайка на квазикристала просто пасуват.
Изследователите са употребявали новаторски изчислителен способ, който им е разрешил да заобиколят това ограничаване. Те основали във виртуалното пространство наночастици от два известни квазикристала (на базата на скандий-цинк и итербий-кадмий) и подробно пресметнали общата им сила. След това я сравнили с силата, която същите атоми биха имали, в случай че бяха подредени в „ вярна “ кристална решетка.
Резултатът се оказа изумителен. Противно на всички упования, точно квазикристалната, „ неправилна “ конструкция за тези комбинации от атоми се е оказала енергийно най-благоприятна. „ Топката “ към този момент е лежала на дъното на своя лична, неповторима празнина. Квазикристалите не просто се „ толерират “ от природата – за някои субстанции те са най-стабилната и желана форма на битие.
Какво следва? От мистерията на природата до суперматериалите
Това изобретение не е просто краят на един дълготраен теоретичен спор. То открива напълно нов небосвод. На първо място, то изяснява за какво квазикристалите са толкоз редки в природата и толкоз сложни за синтезиране в лабораторни условия. Тъй като те се образуват единствено при доста характерна композиция от атоми и условия, появяването им е по-скоро изключение, в сравнение с предписание.
На второ място, което е най-вълнуващо, в този момент можем да изследваме техните неповторими свойства по целеустремен метод. А те са в действителност удивителни. Поради комплицираната си конструкция квазикристалите взаимодействат с топлината и електричеството по напълно друг метод. Те могат да бъдат по едно и също време свръхздрави и с ниско търкане, като са неприятни проводници на топлината, само че положителни проводници на електричеството. Това открива пътя към основаването на материали с невиждани характерности: от идващото потомство незалепващи покрития до високоефективни термоелектрици, които могат да трансформират отпадъчната топлота в потребна сила.
Както успешно отбелязва Питър Бромър от Университета в Уоруик, разяснявайки работата на сътрудниците си: „ Може би идващият суперматериал ще бъде открит не в лабораторията, а на компютъра “. Историята на квазикристалите е ясно доказателство за това. Навлизаме в ера, в която най-смелите хрумвания за структурата на материята могат да бъдат тествани във виртуалния свят, с цел да бъдат по-късно осъществени в действителността. А кой знае какви други „ неверни “ чудеса крие от нас природата, чакайки да се досетим да и зададем верния въпрос.
