В квазикристаллах атомы не формируют идеальную решетку, подобную алмазной структуре, но и не расположены хаотично, как в обычном стекле. Вместо этого они подчиняются определенным закономерностям, формируя упорядоченные, но уникальные узоры. Долгое время исследователи пытались понять, как такие необычные структуры возникают и почему не разрушаются. Разгадку этой загадки предоставила группа физиков и химиков из Соединенных Штатов Америки.
Большинство твердых тел на Земле делят на два класса. Первый — кристаллы. Их атомы строго упорядочены, как солдаты на параде, образуя повторяющуюся трехмерную решетку. Эта предсказуемость делает кристаллы прочными и стабильными.
Аморфные тела составляют второй класс. К ним относятся, например, стекла – от привычного оконного стекла до природных вулканических образований, таких как обсидиан. В стекле атомы расположены хаотично, подобно скоплению людей на вокзале. Это обуславливает его нестабильность. Внешние факторы, включая нагрев, способны изменить внутреннюю структуру стекла, переведя его в более устойчивое состояние. Со временем вещества с подобной беспорядочной структурой могут трансформироваться в обычный кристалл.
Израильский физик Дан Шехтман, исследуя сплав алюминия с марганцем, обнаружил еще один класс твердых тел. За это открытие в 2011 году ему была присуждена Нобелевская премия. Этот класс квазикристаллах — специфическому типу твердых тел, который характеризуется дальним упорядочением атомов, однако не обладает периодической структурой, свойственной обычным кристаллам.
Квазикристаллы характеризуются образованием отчетливых, симметричных структур, которые не демонстрируют повторяемость в пространстве. Эти узоры можно сравнить с трехмерной мозаикой Пенроуза. Они не являются ни кристаллами, ни аморфными веществами. Само их существование долгое время казалось невероятным. Ключевой вопрос заключается в том, как квазикристаллы, не имеющие упорядоченной решетки, способны сохранять стабильность? Что удерживает их от распада или превращения в обычный кристалл?
Специалисты ранее считали, что квазикристаллы являются метастабильными состояниями, похожими на стекло, и что со временем они должны переходить в обычную кристаллическую структуру. Однако свежие расчеты изменили эту точку зрения.
Американские физики и химики во главе с Вэньхао Сюном из Мичиганского университета использовали современные компьютерные симуляции для изучения устойчивости квазикристаллов. Исследователи стремились выяснить, почему квазикристаллы не только существуют, но и в некоторых случаях представляют собой наиболее стабильную структуру для атомов.
Исследователи обратили внимание на два конкретных типа квазикристаллов. Первый из них содержал атомы скандия ( Sc) и цинка (Zn). Второй — из атомов иттербия (Yb) и кадмия (Cd).
Сунь и его соавторы начали с моделирования небольших наночастиц квазикристаллов. По мере увеличения размера симулируемых структур, ученые последовательно вычисляли необходимую для их существования энергию. Задача исследователей заключалась в определении совокупной энергии атомов, составляющих квазикристаллическую структуру. Далее ученые сравнили полученные значения с энергией, которой обладали бы эти же атомы, если бы они образовали обычные, периодические кристаллические структуры, которые традиционно считаются наиболее стабильными.
Согласно законам физики, наиболее стабильным является состояние системы с минимальной энергией. Именно это было подтверждено расчетами. Полученные данные свидетельствуют о том, что для атомов скандия-цинка и иттербия-кадмия квазикристаллическая структура представляет собой не нестабильный или временный вариант, а наиболее энергетически выгодный. Обычные кристаллы не продемонстрировали аналогичной устойчивости. Таким образом, природа в этих случаях выбирает уникальную структуру квазикристалла, действуя в соответствии с физическими законами.
«Полученные данные оказались неожиданными. Постоянное сопоставление квазикристаллов со стеклом наталкивало на предположение, что и они должны быть метастабильными. Однако наши расчеты продемонстрировали, что квазикристаллы не только возможны, — в ряде случаев они даже более выгодны», — пояснил Сунь.
Почему ученые не смогли решить эту загадку раньше? Традиционно современные методы компьютерного моделирования материалов ориентированы на анализ структур, характеризующихся идеальной периодичностью, где атомы повторяются через строго заданные интервалы. Непериодическая, но упорядоченная структура квазикристаллов нарушала стандартные алгоритмы.
Чтобы учесть непериодическую структуру, команде Суня пришлось создать и использовать новый, не зависящий от периодичности, вычислительный метод. Благодаря этому стало возможным точно определить, какое количество энергии система теряет или приобретает при изменении своей формы.
Моделирование выявило еще один значимый результат: для получения квазикристалла в лабораторных условиях требуются весьма специфические параметры. Это позволяет понять, почему подобные структуры так редки в природе (первый природный образец нашли в 2009 году в метеорите из Чукотки). Они возникают не случайно, а при особом сочетании температуры, давления и состава. Если условия не идеальны, атомы предпочтут сформировать обычный кристалл.
По этой причине квазикристаллы остаются довольно редким явлением. Однако, если они формируются, то могут оставаться стабильными на протяжении десятилетий и более.
Новое исследование, проведенное командой Суня, позволяет углубить понимание свойств квазикристаллов. Как утверждают ученые, эти материалы демонстрируют уникальные колебательные характеристики, тесно связанные с теплопроводностью и термоэлектрическим эффектом. Это открывает возможности для разработки материалов, которые способны эффективно проводить или препятствовать теплопередаче, а также преобразовывать тепловую энергию в электрическую.
Ранее для изучения подобных характеристик требовались лабораторные исследования, однако теперь их можно будет проводить непосредственно на компьютере. Скорее всего, следующий «суперматериал» будет найден не в лаборатории, а благодаря компьютерному моделированию.
Научная работа опубликована в журнале Nature Physics.