Ранее исследователи считали, что каждое кристаллическое вещество (состоящее из некого набора атомов) должно иметь элементарный шаблон, который идеально повторяется по всем направлениям. В этом году Нобелевскую премию по химии получили ученые, доказавшие, что существуют квазикристаллические вещества, в которых элементарный шаблон повторяется не так, как можно было бы предположить. Работа, детально описывающая строение квазикристаллического металлического сплава, была опубликована в 1984 году в журнале Physical Review Letters и побудила ученых заново определить такой, казалось бы, привычный термин, как «кристалл».

Кристаллическую структуру проще всего проиллюстрировать с помощью плитки, уложенной на пол без наложений и пустот. Математика позволяет классифицировать подобные структуры при помощи понятия симметрии: для каждого элементарного шаблона отыскивается преобразование, являющееся сложением поворотов, отражений и параллельных перемещений и позволяющее транслировать шаблон сам в себя. Симметрия диктует некоторые геометрические правила для подобных структур. К примеру, бесконечный двумерный кристалл, состоящий из повторяющихся равносторонних треугольников, при вращении на 120 градусов (1/3 от полного оборота) вокруг центра любого треугольника переходит сам в себя. Но, несмотря на то, что один пятиугольник подчиняется такому же правилу для поворота на 72 градуса (1/5 от полного оборота), бесконечная структура, состоящая из пятиугольников, при подобном вращении сама в себя не перейдет.

В 1982 году группа ученых из National Bureau of Standards (теперь он носит название National Institute of Standards and Technology; США) с помощью экспериментов по дифракции излучения выявила симметрию и прочие детали строения металлического сплава. Они обнаружили, что у быстро застывающих образцов сплава алюминия и марганца наблюдается «запрещенная» пятиугольная симметрия. Данный тип симметрии наблюдался лишь в одном направлении, в котором эксперимент давал дифракционную картину для электронов, состоящую из концентрических колец, каждое из которых включало 10 дифракционных пятен. В других направлениях дифракционная картина для электронов демонстрировала кольца, состоящие из шести пятен, т.е. существовала простейшая гексагональная симметрия. В целом дифракционная картина наталкивала на мысль о кристалле, состоящем из отдельных икосаэдров.

На тот момент исследователям было известно, что расположение атомов по вершинам икосаэдра встречается в структурах, где наблюдается плотная упаковка металлических атомов. Но также им было известно, что для икосаэдра запрещена наблюдавшаяся на эксперименте пятиугольная симметрия. Исследователям потребовалось целых два года на то, чтобы исключить все другие предположения (вроде неожиданного объединения отдельных кристаллических доменов) и наконец-то опубликовать работу, в которой было доказано, что шестиугольная симметрия действительно присутствует и распространяется на расстояния порядка нескольких микрон, что много больше межатомных расстояний.

Спустя шесть недель после опубликования работы, в свет вышла еще одна статья в журнале Physical Review Letters другой группы американских ученых из University of Pennsylvania, также разгадавших «загадку пятиугольной симметрии». В своей работе они впервые употребили термин «квазикристалл» и объяснили, что шестиугольная симметрия имеет место до тех пор, пока структура является квази-периодической. К примеру, если кристалл построен на базе двух элементарных шаблонов, повторяющихся с разными периодами, а соотношение периодов является иррациональным числом, такие шаблоны никогда не будут «синхронизированы»; соответственно, для таких кристаллов могут быть сделаны «исключения» в законах о запрете определенных типов симметрии.

Открытие является чрезвычайно важным как для фундаментальной науки, так и для ее практических приложений. Подобные идеи высказывались ранее другими учеными, но никто не ожидал увидеть их воплощение в реальном материале. Группа, впервые опубликовавшая исследования в 1984 за свои заслуги в этом году была удостоена Нобелевской премии по химии.