Най-големият квазикристал е получен чрез разклащане на метални топчета в продължение на седмица

Изследовател печели облог, като провежда експеримент, за който негов колега казва, че няма да се получи. Резултатът е най-големият квазикристал, създаван някога

Ваня Милева Последна промяна на 17 юли 2023 в 00:01 17437 0

Компютърно генериран модел на квазикристал
Компютърно генериран модел на квазикристал

След като били разклащани в продължение на около седмица, хиляди метални топчета с размер милиметър се подредили в екзотична структура, наречена квазикристал - и това е най-големият досега. Това творение помага на изследователя, който го създава, да спечели облог срещу свой колега.

За да бъде нещо кристал, неговите градивни елементи трябва да бъдат подредени в повтарящ се модел, като перфектните решетки от атоми в кристалите на солта. В квазикристалите някои подредби се повтарят, но никога по равномерен или предсказуем начин. (Прочетете "Квазикристалите - между два свята")

За първи път квазикристалите са изказани като хипотеза и са създадени в началото на 80-те години на миналия век. Оттогава насам в лабораториите са създадени стотици, а в природата са открити няколко такива (само в метеорити). Изследователите вече знаят, че частици с размер нанометри или микрометри могат да бъдат накарани да придобият квазикристални форми, но Джузепе Фофи (Giuseppe Foffi) от Университета Париж-Саклай и колегите му искат да използват обекти, които са поне хиляда пъти по-големи.

Моделът на мозайката на Пенроуз отразява тип непериодична, квазикристална структура, което означава, че е подредена, но никога не се повтаря. Моделът е съставен от две форми Кредит: bgchaos.com по елементи на American Mathematical Society.

Те изсипват почти 4000 стоманени сфери с размери 2,4 или 1,2 мм в плитка кутия, където те образуват плоска, почти двуизмерна конфигурация. Изследователите решават колко от всяка от тях да включат въз основа на продължителни компютърни симулации на това как сферите ще се движат, ако кутията се разклати нагоре-надолу. В експеримента те прилагат това разклащане, като прикрепят кутията към устройство, което вибрира с честота 120 херца. Докато постоянно разклащали топчетата, така че те никога да не се установят в равновесие, изследователите записвали кутията с камера в продължение на около 170 часа.

"Това се роди като облог с един колега, който каза, че няма да се получи, но аз казах защо да не опитаме, може да е интересно", разказва Фофи. И той спечелил облога - топчетата се подредили в тънък квазикристал.

Моделът му имал три основни елемента: триъгълници, съставени от големи мъниста с по едно по-малко между тях, или големи мъниста, подредени в квадрат с едно или четири по-малки мъниста в центъра му. Чрез внимателен математически анализ на записите и изображенията от експеримента изследователите установяват, че тези форми покриват повърхността на масата като плочки, които никога не се повтарят.

Числени резултати, получени с молекулярната динамика на модела на сблъсъци, дефиниран в уравнения. a) Скица на гранулираните неадитивни хард-ядро взаимодействия, окончателна конфигурация, реконструирано подреждане и структурен фактор. b) Хистрограма на ориентация на връзката. c) Хистограма на частта от площта, заета от плочки от различни видове и ориентации. Цветът на плочките се избира според тяхната ориентация, но авторите също така вземат предвид дефектни региони, които не са покрити от правилното подреждане на квадратен триъгълник (бели зони) и плочки с двусмислена ориентация или неподравнени с доминиращия набор от посоки на свързване (жълти зони). Резултатите са получени при дълготрайна симулация на сблъсъци. Кредит: arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2307.01643

Рон Лифшиц (Ron Lifshitz) от Университета в Тел Авив, Израел, заявява, че големи квазикристални фигури са регистрирани на повърхността на вибриращи течности, където те се появяват от сблъсъците между вълните, но никога не са били наблюдавани в група от такива големи частици или зърна.

"Вибриращата гранулирана материя, като пясъка, често се държи като течност и затова се очакваше в крайна сметка да се наблюдават квазикристални модели. Този [експеримент] е много вълнуващ", отбелязва изследователят.

Квазикристали са създадени в много системи, вариращи от малки, грапави частици до метални сплави, но разработването на точна рецепта за създаване на конкретен квазикристал остава трудно, изтъква Аластър Ръклидж (Alastair Rucklidge) от Университета в Лийдс.

Атомен модел на повърхността на квазикристал (Al-Pd-Mn). Кредит: Wikimedia Commons

Това отчасти е така, защото изследователите трябва да разберат кога една система ще бъде най-стабилна като квазикристал - въпрос, който е сложен за съвкупности от частици, които постоянно са в движение или имат много сблъсъци, като големи и твърди топчета. Фофи посочва, че методът на екипа му би могъл да помогне за създаването на квазикристали и с други видове градивни елементи, но самосглобяването им може да отнеме още повече време.

"Съществуват някои много интересни квазикристали, като този в система от вода и няколко химикала, не толкова различен от дресинга за салата, и метални сплави. Но във всички случаи ние свързваме точките и виждаме квазикристала едва в края на експеримента. Следващата стъпка е да се тръгне по обратния път: да се започне с квазикристал, след което да се конструира система, която ще го създаде", обяснява Ръклидж.

Справка: "Quasi-crystalline order in vibrated granular matter"; Andrea Plati, Raphael Maire, Etienne Fayen, Francois Boulogne, Frederic Restagno, Frank Smallenburg, Giuseppe Foffi; https://arxiv.org/abs/2307.01643 

Източник:

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !