Учени от Мичиганския университет разрешааат дългогодишен проблем на квазикристалите - екзотични материали, които се намират на границата между подредената структура на кристалите и хаоса на аморфните вещества като стъклото. Тези редки твърди вещества, които някога сякаш нарушават правилата на физиката, сега са доказани като фундаментално стабилни чрез авангардни квантови симулации. Констатациите не само потвърждават тяхното съществуване, но и отварят вратата за проектиране на материали от следващо поколение, използващи мощни нови изчислителни техники.
Рядко срещано и объркващо междинно съединение между кристал и стъкло може да бъде най-стабилната подредба за някои комбинации от атоми, според проучване на Мичиганския университет.
Констатациите идват от първите квантово-механични симулации на квазикристали - вид твърдо вещество, за което учените някога са смятали, че не може да съществува. Докато атомите в квазикристалите са подредени в решетка, както в кристала, подредбата на атомите не се повтаря, както е в конвенционалните кристали. Новият метод на симулация предполага, че квазикристалите - подобни на кристалите - са фундаментално стабилни материали, въпреки сходството им с неподредени твърди вещества като стъкло, които се образуват в резултат на бързо нагряване и охлаждане.
"Трябва да знаем как да подредим атомите в специфични структури, ако искаме да проектираме материали с желани свойства", обяснява Уънхао Сун (Wenhao Sun), асистент-професор по материалознание и инженерство и съ автор на статията, публикувана наскоро в Nature Physics. "Квазикристалите ни принудиха да преосмислим как и защо могат да се образуват определени материали. До нашето проучване на учените не беше ясно защо съществуват."
Квазикристалите сякаш противоречаха на традиционните възгледи на физиката, когато бяха описани за първи път от израелския учен Даниел Шехтман през 1984 г. Докато експериментира със сплави от алуминий и манган, Шехтман вижда, че някои от атомите на металите са подредени в икосаедрична структура, наподобяваща много 20-стенни зарчета, съединени на страните си. Тази форма придава на материала петкратна симетрия – идентична от пет различни гледни точки.
Известни са два вида квазикристали:
|
 Снимка с електронен микроскоп на силициев композит - икосаедричен квазикристал: Quasicrystals from nanocrystals ,Alfons van Blaaderen (чертичката е 2 микрона) |
По онова време учените смятали, че атомите вътре в кристалите могат да бъдат подредени само в последователности, повтарящи се във всяка посока, но петкратната симетрия изключва подобни подредби. Шехтман първоначално бил подложен на подигравки и неприемане, защото предположил невъзможното, но по-късно други лаборатории произвели свои собствени квазикристали и са открити в метеорити на милиарди години.
Заради еретичните си идеи, Шехтман бил изритан от университетската изследователска група и не намира нова група. Премества се в Израел, където се опитва да намери някой, който да публикува изследванията му. Статията първо отхвърлена, накрая е публикувана през ноември 1984 г., но резултатите му са обект на скептицизъм и насмешка. Двойният нобелов лауреат Линус Паулинг заявил:
"Дани Шехтман говори глупости. Няма такова нещо като квазикристали, има само квази-учени".
По-късно обаче били открити други квазикристали с различен състав и различни симетрии - от пети, седми и по-висши редове. Вече по-прецизни експерименти разсеяли всякакви съмнения и доказали, че симетрията на квазикристалите е на всички нива, чак до атомите . Това е наистина нова структура на организация на материята.
 |
 |
| Дифракционна електронна картина на квазикристал Ho-Mg-Zn. Кредит: Ron Lifschitz, Cornell University | Кристал на сплав Ho-Mg-Zn (холмий, манган, цинк) - икосаедричен квазикристал във форма на додекаедър, който е дуален на икосаедъра. Кредит: stanford.edu |
През 1992 Международният съюз по кристалография променя своето определение на кристал, разширява го като резултат от усилията на Шехтман, като признава възможността за периодично или непериодично подреждане.
Шехтман в крайна сметка печели Нобелова награда за химия през 2011 г. за откритието си, но учените все още не могат да отговорят на фундаментални въпроси за това как се образуват квазикристалите. Пречката е, че теорията на функционала на плътността – квантово-механичният метод за изчисляване на стабилността на кристала – разчита на модели, които се повтарят безкрайно в последователност, което липсва на квазикристалите.
"Първата стъпка към разбирането на даден материал е да се знае какво го прави стабилен, но е трудно да се каже как са стабилизирани квазикристалите", коментира Ухьон Бек (Woohyeon Baek), докторант по материалознание и инженерство в Мичиганския университет и първият автор на изследването.
Атомите във всеки даден материал обикновено се подреждат в кристали, така че химичните връзки да достигнат възможно най-ниската енергия. Учените наричат такива структури кристали, стабилизирани по енталпия. (Енталпията е сумата от вътрешната енергия на една термодинамична система)
Но други материали се образуват, защото имат висока ентропия ( мярка за безпорядъка на термодинамичните системи, което означава, че има много различни начини, по които атомите им могат да бъдат подредени или да вибрират.
Аморфните вещества като стъклото един пример за твърдо вещество, стабилизирано от ентропия. Стъклото се образува, когато разтопеният силициев диоксид бързо се охлади, замразявайки атомите до безструктурна форма. Но ако скоростта на охлаждане се забави или към нагрятия силициев диоксид се добави основа, атомите могат да се подредят в кварцови кристали – предпочитаното състояние с най-ниска енергия при стайна температура. Квазикристалите са озадачаващ междинен елемент между стъкло и кристал. Те имат локално подредени атомни подредби като кристалите, но подобно на стъклото, не образуват повтарящи се модели на дълги разстояния.
За да се определи дали квазикристалите са стабилизирани по енталпия или ентропия, методът на изследователя извлича по-малки наночастици от по-голям симулиран блок квазикристал. След това изследователите изчисляват общата енергия във всяка наночастица, което не изисква безкрайна последователност, тъй като частицата има определени граници.
Тъй като енергията в наночастицата е свързана с нейния обем и повърхност, повтарянето на изчисленията за наночастици с нарастващи размери позволява на изследователите да екстраполират общата енергия вътре в по-голям блок от квазикристал. С този метод изследователите откриха, че два добре проучени квазикристала са енталпийно стабилизирани. Единият е сплав от скандий и цинк, а другият от итербий и кадмий.
За да изчислят стабилността на твърдо тяло, чиито атоми не се повтарят в последователност, изследователите симулирали квазикристални лъжички, които били произволно взети от по-голям блок. Енергията във всяка наночастица може да се изчисли с помощта на квантова механика, тъй като частицата има определени граници. Повтарянето на изчисленията в диапазон от размери на лъжичките позволява на изследователите да екстраполират своите енергийни изчисления към обемния квазикристал. Кредит: Woohyeon Baek, Sun Research Group, University of Michigan
Най-точните оценки на енергията на квазикристалите изискват възможно най-големите частици, но мащабирането на наночастиците е трудно със стандартни алгоритми. За наночастици само със стотици атоми, удвояването на атомите увеличава времето за изчисление осем пъти. Но изследователите са намерили решение и за този изчислителен проблем.
"В конвенционалните алгоритми всеки компютърен процесор трябва да комуникира помежду си, но нашият алгоритъм е до 100 пъти по-бърз, защото комуникират само съседните процесори и ние ефективно използваме GPU ускорение в суперкомпютрите", разказва съавторът на изследването Викрам Гавини (Vikram Gavini), професор по машиностроене и материалознание в Мичиганския университет.
"Вече можем да симулираме стъкло и аморфни материали, интерфейси между различни кристали, както и кристални дефекти, които могат да позволят квантови изчисления."
Справка: Woohyeon Baek, Sambit Das, Shibo Tan, Vikram Gavini, Wenhao Sun. Quasicrystal stability and nucleation kinetics from density functional theory. Nature Physics, 2025; DOI: 10.1038/s41567-025-02925-6
Източник: First quantum-mechanical model of quasicrystals reveals why they exist, University of Michigan
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
helper68
Натурални суперколайдери: Черните дупки могат да се използват ускорители на частици
dolivo
Учени възпроизвеждат сияйното египетско синьо, озарявало гробниците на фараоните
dolivo
Революция в залесяването: Японски дронове с изкуствен интелект засаждат дръвчета 10 пъти по-бързо от хората
alabal
Най-старото живо същество на Земята: вид на 700 млн. години, който променя разбирането за еволюцията