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 С помощью ускорителей ученые имитируют процессы, происходившие в первые мгновения жизни Вселенной. Так пытаются решить загадки наблюдаемой реальности: почему материи больше, чем антиматерии, состоят ли кварки из других частиц, как сохраняется барионное число. В этот раз анализ столкновений на коллайдере RHIC предоставил сильное свидетельство того, что барионное число переносится не кварками, а глюонной перемычкой внутри протонов.
Восьмилетнее исследование привело к выводу, противоречащему популярным стереотипам о вреде цифровых гаджетов для подрастающего поколения. Большое количество времени, проведенного перед экранами смартфонов, компьютеров или телевизоров в детстве, оказалось напрямую связано с более высокими когнитивными способностями в подростковом возрасте.
Археологи изучили одну из погребальных камер древнеегипетской гробницы и проследили, как менялась организация захоронений от XXV династии до птолемеевского периода. Исследователи пришли к выводу, что кажущийся беспорядок в гробнице на самом деле подчинялся определенной логике.
В черепах участников битв эпохи Средневековья часто находят отверстия квадратной формы, о происхождении которых спорят специалисты. Авторы нового исследования пришли к выводу, что такое повреждение — следствие смертельного удара по голове палицей.
Анализ почти 69 тысяч видов насекомых помог опровергнуть главенствующую теорию эволюции, которая полвека объясняла устройство колоний пчел, муравьев и ос. Исследователи выяснили, что общепринятый генетический фактор сам по себе не приводит к разделению труда, а настоящий секрет их коллективного выживания кроется в совсем других биологических чертах.
У любителей кофе выявили расхождение в уровнях тестостерона: одна форма этого гормона повышалась вместе с количеством выпитого, а другая, напротив, снижалась. Результат оказался особенно интересным на фоне изменений других показателей, связанных с обменом веществ и здоровьем сердца.
Долгое время считалось, что до прихода европейцев тропические леса Амазонии были заселены сравнительно плохо. Однако выяснилось, что плотная растительность скрывает большинство следов древних обществ. С помощью воздушного лазерного сканирования ученые обнаружили сотни неизвестных земляных сооружений и предположили, что около двух тысяч лет назад население юго-западной части Амазонии могло достигать трех миллионов человек.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Очереди на заправках стали привычным явлением в России, а на фоне информационного вакуума от властей о конкретных показателях производства бензина в июне население вынуждено ориентироваться на слухи. Все это выглядит довольно странно, но есть нюанс: скорее всего, кризис уже начинает выдыхаться. Как именно мы это выяснили?
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
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