Физики объяснили причину устойчивости квазикристаллов

Большинство твердых тел на Земле делят на два класса. Первый — кристаллы. Их атомы строго упорядочены, как солдаты на параде, образуя повторяющуюся трехмерную решетку. Эта предсказуемость делает кристаллы прочными и стабильными. 

Второй класс — аморфные тела. К ним относят, например, стекла, как привычное нам оконное стекло, так и природные вулканические образования вроде обсидиана. В стекле атомы расположены хаотично — как толпа на вокзале. Поэтому стекло нестабильно. Любое внешнее воздействие, в том числе нагрев, может заставить стекло изменить свою внутреннюю структуру, перейти в более стабильную форму. Со временем любое вещество с такой беспорядочной структурой может превратиться в обычный кристалл.

Но существует еще один класс твердых тел, который открыл израильский физик Дан Шехтман во время изучения сплава алюминия с марганцем, за что в 2011 году он получил Нобелевскую премию. Речь идет о квазикристаллах — особом классе твердых тел, обладающем дальним порядком упорядочением атомов, но не имеющем периодической (повторяющейся) решетки, характерной для обычных кристаллов.

Атомы квазикристаллов образуют четкие, симметричные узоры, которые никогда не повторяются в пространстве. Это чем-то напоминает мозаику Пенроуза в трех измерениях. Они не кристаллы, но и не стекла. Их существование казалось почти невозможным. Главный вопрос: если квазикристаллы не имеют четкой решетки, как могут быть устойчивыми? Почему они вообще не разваливаются или не превращаются в обычный кристалл?

Многие специалисты полагали, что квазикристаллы просто «замороженные» метастабильные состояния, вроде стекла. Другими словами, что со временем эти тела все равно должны превратиться в обычный кристалл. Но новые вычисления изменили это представление.

Команда американских физиков и химиков под руководством Вэньхао Суня (Wenhao Sun) из Мичиганского университета применила передовые компьютерные симуляции, чтобы проверить устойчивость квазикристаллов. Ученые попытались понять, почему квазикристаллы не просто возможны, но в определенных условиях становятся самым стабильным вариантом для атомов.

Исследователи сосредоточились на двух реально существующих типах квазикристаллов. Первый состоял из атомов скандия (Sc) и цинка (Zn). Второй — из атомов иттербия (Yb) и кадмия (Cd). 

Сунь и его коллеги начали с моделирования небольших наночастиц квазикристаллов. Постепенно ученые увеличивали размер симулируемых структур, на каждом шаге вычисляя, сколько энергии требуется для их существования. Целью ученых стало определить общую энергию атомов внутри квазикристаллической структуры. Затем ученые сравнили эти значения с энергией, которую имели бы те же самые атомы, если бы организовались в обычные, периодические кристаллические структуры — те самые, что считаются эталоном стабильности.

По законам физики самая устойчивая конфигурация — та, в которой система имеет наименьшую энергию. Именно этот принцип и подтвердили расчеты. Оказалось, что для атомов скандия-цинка и иттербия-кадмия квазикристаллическая структура — не слабое или временное решение, а наоборот — самое энергетически выгодное. Ни один из обычных кристаллов не дал более устойчивого результата. То есть природа в этих случаях выбирает неповторяющуюся структуру квазикристалла не вопреки законам физики, а благодаря им.

«Результат нас несколько удивил. Частое сравнение квазикристаллов со стеклом интуитивно подталкивало к мысли, что они тоже должны быть метастабильными. Но наши расчеты ясно показали, что квазикристаллы не просто возможны — в определенных условиях они даже предпочтительнее», — пояснил Сунь.

Почему же эту загадку ученые не разгадали раньше? Современные методы компьютерного моделирования материалов традиционно заточены под анализ структур с идеальной периодичностью. Атомы в них повторяются через строго определенные интервалы. Квазикристаллы с их непериодическим, но упорядоченным строением ломали привычные алгоритмы. 

Команде Суня пришлось разработать и применить инновационный вычислительный подход, свободный от ограничений периодичности. Этот подход позволил учесть непериодическую природу структуры и точно рассчитать, сколько энергии система теряет или получает при изменении формы.

Моделирование дало еще один важный результат: вырастить квазикристалл в лаборатории можно только при очень специфических условиях. Это хорошо объясняет, почему такие структуры редко находят в природе (первый природный образец нашли в 2009 году в метеорите из Чукотки). Они возникают не случайно, а при особом сочетании температуры, давления и состава. Если условия не идеальны, атомы предпочтут сформировать обычный кристалл.

Именно поэтому квазикристаллы остаются большой редкостью. Но когда появляются, они вполне могут сохраняться стабильно — десятилетиями и даже дольше.

Открытие команды Суня открывает дорогу к изучению необычных свойств квазикристаллов. У них, по словам ученых, фиксируются уникальные колебательные характеристики, которые напрямую связаны с теплопроводностью и термоэлектрическим эффектом. То есть с их помощью можно создавать материалы, способные эффективно проводить или блокировать тепло, а также превращать тепло в электричество.

Если раньше поиск таких свойств ограничивался лабораторными экспериментами, теперь их можно будет изучать прямо на компьютере. Вероятно, следующий «суперматериал» найдут не в лаборатории, а с помощью симуляции.

Научная работа опубликована в журнале Nature Physics.

Игорь Байдов

620 статей

Автор публикует материалы по астрономии, археологии и палеонтологии. В текстах освещает современные открытия, теории и ключевые находки, представляя актуальные данные в научно-популярном формате.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram