Нобелевскую премию по химии в 2011 году вручили израильскому учёному Дэниелю Шехтману за открытие квазикристаллов. Об истории этого исследования москвичам рассказал профессор теоретической физики Принстонского университета Пол Стейнхардт в рамках проекта Knowledge Stream.

Теоретическая физика считала такую форму материи, как квазикристаллы, невозможной, пока в 1982 году Шехтман не обнаружил сплав алюминия с марганцем Al₈₆Mn₁₄. Этот материал после специальной процедуры быстрого охлаждения рассеивал пучок электронов так, что на фотопластинке образовывалась дифракционная картина с симметрией пятого порядка.

Структура сплава представляла собой икосаэдр – многогранник с двадцатью гранями, в каждой его вершине соединены пять граней. При этом атомы в квазикристаллах упакованы по шаблону, который не может быть повторен.

Соотношения расстояний между атомами в квазикристаллах отображают так называемую «золотую пропорцию». Позже удалось получить квазикристаллы с более высокими порядками симметрии.

Несмотря на то что в лабораторных условиях синтезировали более двухсот видов квазикристаллов, научное сообщество полагало, что эти структуры не существуют в природе. Однако Пол Стейнхардт из Принстонского университета (США) и Лука Бинди из Университета Флоренции (Италия) доказали обратное. Исследуя экспонаты музея естествознания во Флоренции, они наткнулись на образец, найденный в 1979 году российским геологом Валерием Крячко в русле реки Хатырка на Чукотке, в районе Корякского нагорья. Это был двадцатигранный квазикристалл, икосаэдрит.

Во время организованной в 2009 году экспедиции на Корякское нагорье учёные нашли и исследовали ещё один кусочек похожего материала. Интересно, что рядом с квазикристаллом обнаружили особую форму оксида кремния – стишовита (названного в честь его первооткрывателя, физика Сергея Стишова).

Он образуется при давлении, превышающем 100 тысяч атмосфер, и при температуре в 1,5 тысячи градусов Цельсия. Такие условия могут или существовать в глубинных слоях мантии, или возникают при столкновении метеорита с поверхностью Земли. Детальный анализ показал, что квазикристалл с химическим составом Аl₆₃Cu₂₄Fe₁₃, был частью метеорита, образовавшегося в самом начале зарождения нашей солнечной системы.

Возраст метеорита оценивается в 4,5 миллиарда лет.

Сочетание «запрещённых симметрий» высоких порядков и соотношений «золотой пропорции» заставляют учёных задуматься о тех квантовых силах, которые могли заставить атомы самоорганизоваться в такую сложную упорядоченную структуру.

Для образования квазикристаллической структуры целые группы атомов должны занять строго определённое место, образовав затейливую мозаику. Это означает, что между удалёнными частями квазикристалла существуют некоторые дальние взаимодействия, которые согласовывают их расположение. Феномен «дальнего планирования» интересует не только физиков, но и биологов, изучающих вопросы зарождения жизни. В природе симметрия пятого порядка характерна для цветков многих растений, для некоторых вирусов и морских животных.

«Мы только стоим на пороге понимания всех загадок квазикристаллов. Я надеюсь, нам удастся найти квазикристаллические структуры в живой материи. Если мы найдём органические молекулы квазипериодической структуры, это даст новый толчок к пониманию происхождения жизни на Земле», – делится с аудиторией Пол Стейнхардт.

Квазикристаллы, в силу своей необычной структуры, имеют ряд уникальных свойств. Например, с повышением температуры электрическое сопротивление в квазикристаллах падает, а не растёт.

«Свойства квазикристаллов ещё до конца не изучены, – говорит Пол Стейнхардт. – Для них характерна высокая прочность, низкий коэффициент трения, сравнимый с тефлоном, низкая теплопроводность. Существует и ряд других интересных свойств, сочетание которых делает перспективным использование этого материала в технике и электронике».

Однако учёный отказался подробнее рассказывать о возможном практическом применении квазикристаллов, сославшись на то, что его команда как раз в настоящий момент активно занимается этим вопросом, и результаты ещё не опубликованы.

Модератор состоявшейся после лекции дискуссии Владимир Решетов, научный обозреватель журнала «В мире науки», высказался на тему практического применения квазикристаллов:

«В настоящее время квазикристаллы используются в производстве медицинского оборудования, например иглы для операций на глазах делают из стали квазикристаллической структуры. Также большие перспективы открываются в **фотонике ** – в производстве светодиодов. При этом квазикристаллы остаются чрезвычайно дорогим материалом из-за сложности получения».

За 30 лет представления о квазикристаллах кардинально поменялись. Если сначала учёные отрицали даже возможность существования такой структуры, то сейчас они делают первые попытки практического применения этого материала.