Атомы в квазикристаллах располагаются не так, как в алмазе, с идеальной решеткой, но и не хаотично, как в оконном стекле. Они подчиняются определенным правилам, создавая упорядоченные, но неповторяющиеся узоры.
Физики и химики из США смогли частично раскрыть тайну существования этих странных структур.
Большинство твердых тел на Земле Разделяют на два класса. Первый — кристаллы. Атомы в них чётко упорядочены, подобно солдатам на параде, формируя повторяющуюся трёхмерную структуру. Такая предсказуемость делает кристаллы прочными и устойчивыми.
Второй класс — аморфные тела. К ним относятся, например, стекла: оконное и вулканические образования, как обсидиан. В стекле атомы расположены хаотично, поэтому стекло нестабильно. Любое внешнее воздействие, например нагрев, может заставить его изменить структуру и перейти в более стабильную форму. Со временем любое вещество с такой беспорядочной структурой может превратиться в кристалл.
Существует ещё один вид твёрдых тел, открытый израильским физиком Даном Шехтманом при изучении сплава алюминия с марганцем, за что в 2011 году ему была присуждена Нобелевская премия. квазикристаллах К особым классам твердых тел относятся материалы с дальним упорядочением атомов, но без периодически повторяющихся структур, свойственных обычным кристаллам.
Атомы квазикристаллов образуют упорядоченные узоры, никогда не повторяющиеся в пространстве. Подобно мозаике Пенроуза в трех измерениях это напоминает что-то необычное. Это ни кристаллы, ни стекло. Считалось, что их существование невозможно. Вопрос: как могут быть устойчивыми квазикристаллы, если у них нет четкой решетки? Почему они не распадаются и не превращаются в обычный кристалл?
Многие специалисты считали, что квазикристаллы – это застывшие неустойчивые состояния, подобные стеклу. Предполагалось, что со временем эти образования всё равно перейдут в нормальный кристалл. Однако новые расчеты опровергли эту точку зрения.
Под руководством Вэньхао Суня из Мичиганского университета группа американских физиков и химиков использовала компьютерные симуляции для исследования устойчивости квазикристаллов. Ученые пытались объяснить, почему квазикристаллы не только возможны, но и в некоторых ситуациях становятся самым стабильным вариантом для атомов.
Учёные изучали два реальных вида квазикристаллов. Первый образован из атомов скандия. Sc) и цинка (Zn). Второй — из атомов иттербия (Yb) и кадмия (Cd).
Сунь и его соратники начали моделированием мелких наночастиц квазикристаллов. Постепенно исследователи увеличивали размер симулируемых структур, на каждом этапе вычисляя количество энергии, необходимое для их существования. Цель учёных состояла в определении общей энергии атомов внутри квазикристаллической структуры. Затем учёные сравнили эти значения с энергией тех же самых атомов, если бы те организовались в обычные, периодические кристаллические структуры — те, что считаются эталоном стабильности.
Согласно законам физики, наиболее стабильной является конфигурация системы с наименьшей энергией. Расчёты подтвердили этот принцип. Для атомов скандия-цинка и иттербия-кадмия квазикристаллическая структура оказалась не временным явлением, а самой энергетически выгодной. Ни один обычный кристалл не показал более устойчивого результата. Таким образом, природа в этих случаях выбирает неповторимую структуру квазикристалла, следуя законам физики.
Результат удивил нас. Частое сравнение квазикристаллов со стеклом подталкивало к мысли о их метастабильности. Но расчеты выявили, что квазикристаллы не просто возможны – в некоторых условиях они даже предпочтительнее. пояснил Сунь.
Почему ученые раньше не разгадали эту загадку? Современные компьютерные модели традиционно предназначены для анализа материалов с идеальной периодичностью. Атомы в таких материалах повторяются через строго определенные интервалы. Квазикристаллы со своим непериодическим, но упорядоченным строением нарушают привычные алгоритмы.
Команде Сунь необходимо было создать и использовать новый метод расчёта, который не зависел от фиксированного времени. Такой подход учитывал непостоянную структуру системы и позволял точно вычислить количество энергии, которую система теряет или получает при смене формы.
Моделирование показало, что выращивание квазикристаллов в лабораторных условиях возможно только при особых условиях. нашли В 2009 году в метеорите из Чукотки образовались кристаллы редкого минерала. Такие кристаллы возникают не случайно, а при особом сочетании температуры, давления и состава вещества. При неидеальных условиях атомы предпочтут сформировать обычный кристалл.
В связи с этим квазикристаллы встречаются редко. Однако при появлении могут существовать долгие годы — десятилетиями и более.
Открытие команды Суня открывает путь к изучению необычных свойств квазикристаллов. Учёные отмечают, что у этих материалов фиксируются уникальные колебательные характеристики, которые напрямую связаны с теплопроводностью и термоэлектрическим эффектом. Это значит, что можно создавать материалы, способные эффективно проводить или блокировать тепло, а также превращать тепло в электричество.
Изучение этих свойств ранее было возможно только при проведении лабораторных экспериментов, теперь это станет доступно и на компьютере. Следующий «суперматериал» может быть обнаружен не в лаборатории, а благодаря компьютерной симуляции.
Научная работа опубликована в журнале Nature Physics.
