Французские учёные добились успеха в исследовании квазикристаллов, структур с не повторяющейся структурой. С помощью больших стальных сфер и особой вибрационной техники они изготовили самый большой квазикристалл, когда-либо наблюдавшийся. Такое достижение может создать новые возможности для создания квазикристаллов из других материалов, несмотря на трудности определения стабильности таких систем.
Квазикристаллы – материалы, нарушающие обычные законы кристаллографии. До 1982 года, когда их обнаружил Дан Шехтман, считалось, что вещества могут быть либо кристаллическими – с симметричными повторяющимися структурами, либо аморфными – со случайным расположением структурных элементов. Также полагали, что кристаллы могут иметь симметрию только при вращении вокруг оси два, три, четыре или шесть раз.
Квазикристаллы нарушают правила упорядоченного строения. Их структура повторяется, но обладает вращательной симметрией, недоступной обычным кристаллам. К примеру, квазикристалл с икосаэдрической симметрией может демонстрировать пятикратную симметрию вокруг шести различных поворотных линий.
Исследователи из Университета Париж-Сакле расширяют границы исследований квазикристаллов с помощью нового экспериментального подхода. .
Смелый эксперимент
Вместо частиц нанометрового или микрометрового размера исследователи использовали объекты размером в тысячу раз больше. В неглубокую коробку поместили около четырех тысяч стальных сфер диаметром 2,4 или 1,2 мм, создав почти двумерную конфигурацию.
Затем с помощью вибрационного метода коробку с бусинами трясли частотой ровно 120 герц в течение примерно 170 часов. За это время фиксировали изменения конфигурации бусин. Результат оказался удивительным: бусинки были организованы в тонкий квазикристалл, самый большой из когда-либо созданных.
Выявлены сложные закономерности
Экспериментальные данные выявили сложность узора квазикристалла, который формировался из трёх главных элементов, созданных специфическим размещением стальных шариков.
В качестве первого элемента служил треугольник из трёх больших шаров с размещённым между ними меньшим по размеру шариком. Второй элемент представлял собой квадрат, образованный четырьмя большими шарами, в центре которого находился либо один, либо четыре шарика меньшего размера. Несмотря на кажущуюся простоту, эти узоры формировали сложную общую структуру.
Фигуры на столе расстилались подобно плитке. Но в отличие от обычной плитки, где каждый элемент идентичен, здесь никогда не повторяются абсолютно одинаковые узоры из бусин. Каждое расположение бусин, хоть и похоже на другие, имеет тонкие отличия, делающие общую структуру неповторимой.
Наблюдаемые узоры в квазикристаллах всегда немного различаются, создавая сложные и красивые структуры.
Захватывающие последствия для будущего
Исследование демонстрирует возможность производства квазикристаллов на более широком масштабе, чем прежде. Это открывает новые возможности в сфере используемых материалов и технологий.
Целью исследования квазикристаллов является выявление условий наибольшей устойчивости структуры квазикристалла. Для систем движущихся частиц или подвергающихся многочисленным столкновениям этот вопрос особенно сложен. Эксперементальная вибрационная техника может предложить новый подход к решению этой проблемы.
Данное исследование может иметь существенное значение для разработки новых материалов. Квазикристаллы обладают необычными качествами, например, низкой теплопроводностью и высокой твердостью, которые применимы в различных отраслях, от электроники до космонавтики. Создание квазикристаллов из более крупных элементов также может открыть путь для разработки материалов с ещё большим разнообразием свойств, отвечающих конкретным требованиям.
Авторы считают, что исследование будет важно для понимания сути материи. Квазикристаллы оспаривают привычные представления о её организации. Изучая пределы возможного, можно обнаружить новые правила и законы, определяющие наш мир.