Коллектив авторов - Млечный Путь №1 (1) 2012

( http://www.astronet.ru/db/forums/1254066)

В номинации «Химия» лауреатом Нобелевской премии в 2011 г. стал израильтянин Даниэль Шехтман – «За открытие квазикристаллов».

До этого времени считалось твердо установленным, что строение кристаллических веществ можно описать равномерной трансляцией (перемещением) по трем пространственным осям простейшего элемента – одной элементарной ячейки (куба, призмы, пирамиды). При такой трансляции все пространство кристалла заполняется атомами равномерно и строго периодически. Для такого механизма математически было доказано, что у возникающей при этом структуры могут быть оси симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядка. Это значит, что при одном полном повороте вокруг таких осей кристалл «совпадает сам с собой» два, три, четыре или шесть раз. Особо подчеркивалось, что осей симметрии других порядков нет и быть не может.

Открытие было сделано в 1982 г. (опубликовано в 1984 г.) при изучении сплава алюминия с марганцем. Д. Шехтман обнаружил, что у частиц из этого сплава есть ось симметрии… пятого порядка. Но это же математически запрещено для любых атомных структур, периодически заполняющих объем кристалла!

Какой же физический эффект смог нарушить математический запрет? Суть его, в формулировке авторитетного специалиста в области изучения квазикристаллов проф. Ю. Х. Векилова, такова: квазикристаллы – это вещества с апериодическим дальним атомным порядком ( http://ria.ru/infografika/20111003/448255547.html). Это значит, что у квазикристаллов нет периода трансляции элементарной ячейки, как у обычных кристаллов, но есть дальний порядок расположения атомов!

Оказалось, что «плотно заполнить» пространство можно и иным, отличным от трансляционного методом. За 10 лет до публикации Шехтмана английский математик и физик Р. Пенроуз открыл геометрические структуры, которые позволяют заполнить плоскость непериодическим, но упорядоченным образом. Для этого нужно использовать две различные элементарные ячейки. У Пенроуза это были ромбы с разными углами при вершинах. И мозаики Пенроуза являются структурами двумерных квазикристаллов.

При пространственном заполнении нужно использовать тела-многогранники. Одними из самых интересных тел оказались икосаэдры. Икосаэдр – правильный выпуклый двадцатигранник, одно из Платоновых тел. Каждая из 20 граней представляет собой равносторонний треугольник. Число ребер равно 30, число вершин – 12.

Вернемся к понятию апериодичности, характеризующему строение квазикристаллов. «Непериодический» вовсе не значит случайный, хаотический. У квазикристаллов обнаружилась еще одна удивительная особенность – дальний порядок расположения частиц подчиняется следующему правилу:

аn = a1 – Dn-1,

где a1 – начальный период между частицами, n – порядковый номер периода, n = 1, 2, …, D = (1 + √5)/2 = 1,6180339… – число золотой пропорции. ( http://www.nkj.ru/archive/articles/2102)

Удивительность этого правила состоит в том, что отношения расстояний между атомами являются иррациональными числами и подчиняются закону золотой пропорции. Иными словами, структурные элементы квазикристалла «гармонизируют пространство» столь тонко, что это вызывает представление о проявлении здесь антропного принципа. А это дает основание для предположения о том, что в данном случае проявляются какие-то глубинные свойства материи на квантовом уровне. Не исключено, что это связано с эвереттическими эффектами.

До последнего времени все квазикристаллы получались искусственным путем в лабораториях. Но, как иронично заметил принстонский физик Пол Стейнхардт, «было бы странно предполагать, что Господь Бог сотворил Вселенную 14 миллиардов лет назад и ждал все это время рождения Шехтмана, чтобы внести в мир квазикристаллы». И международная группа ученых под руководством Пола Стейнхардта развернула поиски квазикристаллов в природе. История этих поисков настолько захватывающа и невероятна, что может послужить сюжетом научно-детективного романа. Сегодня с ней можно познакомиться из первоисточника – рассказа самого Пола Стейнхардта и Валерия Крячко, первооткрывателя минерала хатырскита, в составе которого и были обнаружены первые природные квазикристаллы.

( http://digitaloctober.ru/event/knowledge_stream_pol_steynhardt)

Результатом этого исследования стало открытие минерала икосаэдрита во фрагментах метеорита, найденных группой Стейнхардта на реке Хатырке на Чукотке «по наводке» Крячко. Этот минерал – сплав алюминия, меди и железа – имеет квазикристаллическую структуру и, судя по возрасту содержавшего его метеорита, образовался где-то в глубинах космоса более 4 миллиардов лет назад…