Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Физики объяснили причину устойчивости квазикристаллов
В квазикристаллах атомы не выстраиваются в идеальную решетку, как в алмазе, но и не хаотично разбросаны, как в оконном стекле. При этом они следуют определенным правилам, создавая упорядоченные, но неповторяющиеся узоры. Ученые десятилетиями ломали голову над тем, как эти странные структуры вообще существуют и не рассыпаются? Завесу тайны приоткрыла команда физиков и химиков из США.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Астрономы подсчитали, что с поверхности летящего по Солнечной системе межзвездного объекта 3I/ATLAS каждую секунду испаряется около 40 килограммов водяного льда. Такую сильную кометную активность он проявил, будучи в три с половиной раза дальше Земли от Солнца. По мнению ученых, это довольно необычно.
За последнее десятилетие ученые создали несколько сложных систем «мозг — компьютер», которые позволяли преобразовывать мозговую активность людей, лишившихся способности говорить из-за различных заболеваний, в речь. Однако до сих пор удавалось расшифровать лишь небольшое количество слов. Теперь в США создали алгоритм, благодаря которому удалось распознать до 54 процентов «речи».
Ученые провели эксперимент и установили, что вблизи машины черного цвета, простоявшей на солнце несколько часов, температура поднималась на 3,8 °C выше, чем у асфальта на прилегающем свободном участке.
Астрономы подсчитали, что с поверхности летящего по Солнечной системе межзвездного объекта 3I/ATLAS каждую секунду испаряется около 40 килограммов водяного льда. Такую сильную кометную активность он проявил, будучи в три с половиной раза дальше Земли от Солнца. По мнению ученых, это довольно необычно.
Изображение блазара PKS 1424+240, полученное с помощью радиоинтерферометра VLBA, напомнило астрономам легендарное «Око Саурона» из «Властелина колец» — джет, пронизывающий кольцеобразное магнитное поле объекта, устремлен к нашей планете, а сам блазар может оказаться одним из наиболее ярких источников нейтрино в космосе.
Влияет ли формат знакомства на качество последующих романтических отношений в паре? Научные данные на этот счет разнятся. Новое исследование по вопросу представила группа психологов из Польши, Австралии и Великобритании. В попытке понять, при каком сценарии удовлетворенность отношениями выше, а любовь крепче — когда двое нашли друг друга в Сети или познакомились в жизни, — ученые опросили свыше 6000 тысяч человек из разных стран.
Прибывшая из межзвездного пространства предполагаемая комета 3I/ATLAS движется по траектории, максимально удобной для гравитационных маневров управляемого корабля, при этом возможность ее отслеживания с Земли практически минимальна. По мнению некоторых ученых, такое «поведение» объекта наводит на определенные мысли.
Примерно 12 800 лет назад в Северном полушарии началось резкое изменение климата, которое сопровождалось вымиранием мегафауны и угасанием культуры Кловис. Такое могло произойти, например, из-за прорыва пресных вод в Атлантику или мощного вулканического извержения. Несколько лет назад ученые обнаружили места на суше с повышенным содержанием элементов платиновой группы, прослоями угля, микрочастицами расплава. По их мнению, это может быть признаком пребывания Земли в потоке обломков кометы или астероида. В новой работе впервые представлены доказательства кометного события в позднем дриасе из морских осадочных толщ.
Команда исследователей из Сколтеха, МФТИ, Института искусственного интеллекта AIRI и других научных центров разработала метод, позволяющий не просто отличать тексты, написанные человеком, от сгенерированных нейросетью, но и понимать, по каким именно признакам классификатор принимает решение о том, является ли текст генерацией или нет. Анализируя внутренние состояния глубоких слоев языковой модели, ученые смогли выделить и интерпретировать численные признаки, отвечающие за стилистику, сложность и «степень уверенности» текста.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии