Квазикристаллы — гордость Чукотки


    Аудитория залипает на ковёр Структура квазикристалла

    Уже два раза Нобелевскую премию дают за вещества, которых не должно быть. Первый раз это был графен, в который никто не верил, второй раз — квазикристаллы, которые, по классической теории, вообще не могут существовать.

    Не могут, но упорно существуют.

    О практическом применении кристаллов, думаю, рассказывать на Хабре не нужно. Квазикристаллы имеют схожую область применения, плюс обладают двумя важными свойствами — во-первых, способны укреплять композитные материалы (например, для получения сверхпрочных сталей — иголки для операций по глазам), а, во-вторых, при охлаждении квазикристалл становится изолятором, а при нагреве — проводником. Естественно, большие перспективы в LED-технологиях и вообще во всём, что начинается на «нано» в хорошем смыле этого слова.

    На прошлой неделе в Digital October прошла лекция Пола Стейнхардта — учёного, который съездил на Чукотку в поисках естественных квазикиристаллов и прошел целую детективную историю, чтобы получить образцы.

    Но начнём сначала.

    Что такое квазикристалл?


    По сути — это сложно «упакованное» вещество, обладающее регулярной структурой. Отличие от обычных кристаллов в том, что эта структура не должна существовать по целому списку причин. Было уже доказано, что возможна симметрия второго, третьего, четвертого и шестого порядка, а для других случаев, она в общем-то, невозможна. Во всяком случае, так считали раньше. Для примера — привычная структура кристаллической решетки углерода даёт алмаз. Гексагональная структура даёт графит, который отличается другими свойствами.

    С другой стороны, невозможно, например, правильными пятиугольниками замостить какую-то плоскость, точно так же это считалось невозможным и для десятиугольников. Правда, в 1982 году Шехтман (который в 2011 получил Нобелевскую премию по химии) показал, что предыдущие представления были неправильные.


    Компоненты квазикристалла на модели

    Как получается упаковать вещество так плотно?


    Использованием различных структур. Грубо говоря, это не только пятиугольники, но и другие формы, которые встречаются с разной частотой. И соотношение между этими частотами не является рациональным числом, то есть его нельзя описать как взаимоотношение двух целых чисел. Соответственно, так появился термин «квазикристаллы», или «квазипериодические кристаллы», или «квазипериодические твердые тела».


    Сборка квазикристалла

    С 1984 года было получено в лабораториях более 100 различных квазикристаллов, но считалось, что в природе образование таких веществ просто невозможно, поскольку структура крайне нестабильна. А теперь самое весёлое — Стейнхардт нашел именно природный образец.


    Ещё один ковёр

    Где он его нашел?


    В одном местном русском музее за пределами основного каталога. Образец «хатыркит» был найден на берегу реки Хатырки, в автономном округе Чукотка на Корякском нагорье.
    И вот с этим кусочком мы несколько лет и пытались работать. Там уже начиналась зима 2008 года. В общем, мы разрезали имевшийся образец. Совсем тонкие срезы, как вы видите, полмикрометра. И мы рассчитывали, что мы получим доступ к хорошим спектрометрам и хорошим микроскопам. Но нам сказали, что они уже забронированы другими исследователями на следующие три месяца. Но я смог договориться с директором рентгенографического центра в университете, и мы с ним вместе пришли в лабораторию в пять утра в Рождество. Нам семья это не могла простить в то время, но мы понимали, что если мы не пойдем в этот день, то придется ждать еще три месяца. И меня поразило то, что мы увидели. Потому что когда мы поместили в электронный микроскоп этот образец, мы сразу увидели дифрактограмму. Совершенно фантастическую, практически идеальную дифрактограмму настоящего квазикристалла.

    Как эта структура появилась внутри камня?


    Пол понёс данные геофизикам, которые объяснили, что такое невозможно, потому что сплав алюминия, меди и железа должен был окислиться в естественных условиях. Собственно, физики попытались объяснить, что находка — это не естественное образование, а кусок техногенного мусора, оставшегося от русского аффинажного завода или ядерного реактора (ну, знаете, они там на каждом шагу). У Пола появилось две теории: про образование материала на большой глубине (где кислорода не очень-то много) или в космосе (где его ещё меньше). Требовалось найти ещё образцы, чтобы убедиться в природном происхождении квазикристаллов.


    Сборки и разборки

    Что дальше?


    Дальше — полтора года поисков, детектив с поиском членов первой экспедиции, выход на одного человека из них, часы в лабораториях, подтверждение теории о метеоритном происхождении материалов — и снаряжение второй экспедиции в Анадырь, где был найден хатыркит.
    Первые данные анализа показали, что мы действительно подобрали очень хорошие материалы метеоритного происхождения. Вот видите, по центру этого камня такой блестящий образец, кусочек, который полностью соответствовал и химическому составу, который мы искали, и имел дифрактограмму, соответствующую квазикристаллу. И минерал, который мы нашли, мы назвали икосаэдритом, поскольку он имел дифрактограмму, полностью соответствующую правильной икосаэдрической решетке. Конечно, эта наша экспедиция и тот факт, что мы лично откопали все эти образцы, добавили убедительности нашим исследованиям в глазах научного сообщества. Если вы покажете эти данные специалистам по метеоритам, они вам сразу скажут, что это такое. Это типичный пример метеорита типа CV3, или углистого хондрита. Причем по центру этого хондрита вы видите блестящий кусочек, который раньше мы никогда не находили в природе. Трудно на данном этапе решить, когда сформировался данный квазикристалл. То ли он имеет тот же возраст, что и окружающая его порода, около 4,5 миллиардов лет, то ли он сформировался… Но мы сейчас эту тему копаем. Мы сейчас исходим из того, что возник этот квазикристалл на заре существования Солнечной системы, много миллиардов лет назад, при столкновении метеоритов. Мы предполагаем, что метеорит этот упал в бассейн Хатырки относительно недавно, может быть, порядка 10 тысяч лет назад. Как раз во время последнего ледникового периода. Как раз тогда, когда по этому ручью спускались вниз с какими-то ледяными массами глинистые породы. Мы продолжаем свою работу, хочется надеяться, что откроем еще какие-то тайны.



    Обсуждение: ведущие российские специалисты в области

    Ссылки:

    Следующая интересная бесплатная лекция — про Data Mining для спорта, вот событие на Хабре.
    Digital October
    55,00
    Компания
    Поделиться публикацией

    Комментарии 29

      +4
      Спасибо
        0
        Чукотку полюбил, спасибо.
          0
          Приятно, что эти вещества нашли именно в России) Ещё одно подтверждение, что у нас чего только нет)
            +42
            Нормального доступа к хорошим спектрометрам и хорошим микроскопам, у ученых, тоже нет.
              +5
              Свободного доступа к хорошему оборудованию никогда не было.

              У нас запланирован эксперимент в Германии. Оборудование [ещё в феврале] забронировано на конец мая, причём три дня размазаны по двум неделям. Более раннее время, увы, уже недоступно.
              +2
              Очень приятно, что этот метеорит упал в России. Неприятно, что наши геологи, найдя его, невдуплили что это такое, а разобрался только иностранный товарищ.

              Кстати, у «ведущего российского специалиста» на последней фотографии выражение лица такое, будто этот метеорит ему на голову упал :)
                +1
                Тут даже не все иностранные учёные разобрались бы, что это такое. В квазикристаллы ведь никто не верил. Но нашёлся специалист — и поверил. Конечно, печально, что это не российский специалист, но нашу науку уже давно не особо жалуют в плане финансов.
                  +1
                  Если послушать лекцию, становится понятно, что наши тоже немало поучаствовали. Но надо признать, основная идея была за Полом.
                  0
                  Я Вам скажу как геофизик — это не так уж и просто. И не потому, что я плохо изучал геологии, петрографию и петрофизику, а потому что не всегда есть доступ к оборудованию / не всегда думаешь что это что то особенное. Пород много — и нет времени/желания смотреть их в шлифах.
                  Надо выразить благодарность чукотским геологам за то, что они нашли такой образец.
                    0
                    Есть геологи на пенсии которые за скромную плату все ваши шлифы отсмотрят :)
                  +1
                  Патриотам по поводу гордости за случайные «достижения» родины кое-что хочет сказать покойный Джордж Карлин. Найденный квазикристалл — это гордость не Чукотки, а нашедших его учёных. К топикстартеру это тоже относится.
                  +1
                  Интересно, как они узнали, что этот метеорит надо было ехать искать на Чукотку на берег реки Хатырки?
                    +2
                    Сначала нашли образец в музее, потом начали узнавать, где музей взял его, а уже потом поехали.
                      0
                      Но как вообще могли выделить именно этот образец из триллионов других булыжников? На нем же не написано, что он может быть квазикристаллом.
                    0
                    Я так понимаю, артефакт с такой структурой пока делать не умеют?
                      +3
                      Синтезировать аналог научились в 1998 году. Главный факт — что такая штука встречается в природе и достаточно стабильно. До получения фактических доказательств это считалось настолько маловероятным, насколько маловероятно понятие «невозможно».
                      +2
                      Мне кажется, я (либо я, либо автор исследования) как-то не правильно понимаю понятие «природный образец». Как-то привычнее его ассоциировать с земной природой.
                        +2
                        У меня сначала тоже сложилось мнение, что если докажут космическое происхождение находки, то это будет провалом. Но ведь метеориты не творение рук человеческих… надеюсь )
                          0
                          Просто порвало… как смешно может выглядеть такая картинка в серьёзной научной статье )))
                          +2
                          Красивые ковры. Напоминают мозайку Пенроуза.
                            +2
                            Принцип тот же. Насколько я понимаю, первый «ковер» — покрытие плоскости 5-ю видами ромбов, а второй «ковер» — покрытие 3-мя видами ромбов. В мозаике Пенроуза было 2 вида ромбов. Потому и напоминает.
                            Ну а про возможность существования трехмерных «мозаик», а также про квазикристаллы упоминает сам Пенроуз (рекомендую — «Новый ум короля», стр. 351 — там еще интереснейшим образом квантовая теория замешана)
                              0
                              ) действительно. Если бы первый ковер был более «обширным», то можно было бы это заметить сразу. А на фото «Сборки и разборки» они наверно эти мозайки собирают =D
                                0
                                Спасибо за рекомендацию! Конечно, эта книжка в моём read-листе. Когда-нибудь обязательно прочту.
                              0
                              У вас опечатка в заголовке про событие о «data miniNG».
                                0
                                странно
                                для профана в кристаллографии и минералогии статья выглядит вполне себе на уровне «7классница из америки изобрела новую супервзрывчатку на уроке природоведения»
                                ну правда… вот так вот сотни лет математики, химики и физики не допирали, а камень бац!-упал и всё опроверг
                                  –6
                                  Волшебно, спасибо. Плюсанул бы.
                                    +1
                                    Метеориты? Просто осколок из того места, где хрустальный купол небес соприкасается с краем Земли, о Волька.
                                      –1
                                      > О практическом применении кристаллов, думаю, рассказывать на Хабре не нужно.
                                      а почему-бы и нет. Дали-бы хотябы ссылку на статью с хабра об этих кристаллах, я не встречал статей на хабре

                                      > Квазикристалл на Википедии (и его промышленное применение);
                                      вот по этой ссылке не написано ни слова о промышленном применении (или просто о применении)

                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                      Самое читаемое