Misterija kako se formiraju kvazikristal

Izvorna verzija od ova priča pojavio se u Magazin Quanta.

Od svog otkrića 1982. godine, egzotični materijali poznati kao kvazikristalci bili su fizičari i kemičari. Njihovi se atomi raspoređuju u lance pentagona, dekagona i drugih oblika kako bi formirali uzorke koji se nikada ne ponavljaju. Čini se da ovi obrasci prkose fizičkim zakonima i intuiciji. Kako atomi možda mogu “znati” kako formirati složene aranžmane bez ponovnog prijenosa bez naprednog razumijevanja matematike?

“Kvazikristalci su jedna od onih stvari koje kao znanstvenik za materijale, kad prvi put učite o njima, vi ste poput:” To je ludo “, rekao je Sunce Wenhaoznanstvenik za materijale sa Sveučilišta u Michiganu.

Nedavno je, međutim, niz rezultata ogulio neke njihove tajne. U Jedna studijaSunce i suradnici prilagodili su metodu za proučavanje kristala kako bi utvrdili da su barem neki kvazikristali termodinamički stabilni-njihovi atomi se neće smjestiti u raspored niže energije. Ovaj nalaz pomaže objasniti kako i zašto se formiraju kvazicristali. A Druga studija dao je novi način inženjera kvazikristala i promatrati ih u procesu formiranja. I treća istraživačka skupina ima zabilježen prethodno nepoznata svojstva ovih neobičnih materijala.

Povijesno, kvazikristali su bili izazovni stvarati i okarakterizirati.

“Nema sumnje da imaju zanimljiva svojstva”, rekao je Sharon Glotzerračunski fizičar koji je također sa sjedištem na Sveučilištu u Michiganu, ali nije bio uključen u ovaj rad. “Ali moći ih napraviti skupno, povećati ih, na industrijskoj razini -[that] Nije se osjećao moguće, ali mislim da će nam ovo početi pokazati kako to učiniti reproduktivno. “

‘Zabranjena’ simetrija

Gotovo desetljeće prije izraelskog fizičara Dan Shechtman Otkrio je prve primjere kvazikristala u laboratoriju, britanski matematički fizičar Roger Penrose zamislio je “kvaziperiodičnu” – gotovo, ali ne sasvim ponavljajući – patterns koji bi se očitovali u tim materijalima.

Peruta razvijeni skupovi pločica To bi moglo pokriti beskonačnu ravninu bez praznina ili preklapanja, u uzorcima koji se ne ponavljaju i ne mogu ponoviti. Za razliku od tesselacije napravljenih od trokuta, pravokutnika i heksagona – kocka koji su simetrični na dvije, tri, četiri ili šest osi i koji su u periodičnim uzorcima pločice – periodične nagibe imaju „zabranjenu“ petostruku simetriju. Pločice tvore peterogonalne rasporede, ali pentagoni se ne mogu čvrsto uklopiti jedan pored drugog kako bi popločali ravninu. Dakle, dok pločice se uklanjaju duž pet osi i beskrajno tesselat, različiti dijelovi uzorka izgledaju samo slično; Točno ponavljanje je nemoguće. Penroseove kvaziperiodične nagibe napravile su naslovnicu Znanstveni američki 1977., pet godina prije nego što su napravili skok iz čiste matematike u stvarni svijet.