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 Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
На протяжении десятилетий Тель-Авив воздерживался от этого шага, чтобы не испортить отношения с Турцией. Но после действий Израиля 2023-2026 годов официальная Анкара, как и множество государств мира, неоднократно осуждала Израиль, из-за чего изменилась и его позиция по геноциду.
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Авторы нового исследования провели сравнительный анализ видов паукообразных и выяснили, какие эволюционные и биомеханические факторы делают одних пауков быстрыми, а других — медленными. Параллельно ученые выделили из этой группы рекордсмена по скорости перемещения.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
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