Lehetetlennek vélt szimmetriák
Majdnem egy évtizeddel azelőtt, hogy 1982-ben izraeli kutatók laboratóriumban felfedezték volna az első kvázikristályokat, Roger Penrose brit matematikai fizikus már megalkotta a kváziperiodikus mintázatok ötletét. A Penrose-csempék úgy fedik be a síkot, hogy sehol sem hagynak rést vagy átfedést, ám a mintázat soha nem ismétli önmagát. Ellentétben az egyértelmű, három-, négy- vagy hatszögletű kristályokkal, Penrose-csempéinek tiltott ötszörös szimmetriája van: ötágú mintázatokat alkotnak, jóllehet az ötszögek önmagukban soha nem képesek hézagmentesen fedni a síkot.
1982-ben Dan Shechtman fémötvözetekben ötszörös szimmetriájú, kváziperiodikus atomrendet mutatott ki, amit az anyagtudósok szinte lehetetlennek tartottak. Később Paul Steinhardt és Dov Levine kvázikristálynak nevezte ezt az új anyagcsoportot, és osztályozták a lehetséges szimmetriákat. Shechtman 2011-ben Nobel-díjat kapott a felfedezésért, és időközben a kvázikristályok világszerte kutatók százainak érdeklődését keltették fel.
Alkalmazások és kihívások
Bár a kvázikristályok teljesen lenyűgözik a fizikusokat, csak kevés területen találtak gyakorlati felhasználást. Olyan köztes állapotot képviselnek, amely nem teljesen kristályos, de nem is amorf, és fémjeik általában kevésbé alakíthatók. Állandóan váltakozó szerkezetük miatt tulajdonságaik pontos meghatározása nehéz. Néhány előnyük ugyanakkor kiemelkedő: rossz hő- és elektromos vezetők, tartósak és nem reagálnak könnyen más anyagokkal, így például felmerült már tapadásmentes edények vagy acélerősítésre használt orvosi eszközök bevonataként is. Különleges mintázatuk lehetőséget nyújt hamisítás elleni elemek kidolgozására műalkotásoknál. Fontos tényező, hogy ipari szintű, tömeges előállításukat és pontos megértésüket eddig az alapvető megértésük nehézsége akadályozta.
Ütős új módszerek
A kutatók most kétféle kvázikristályt vizsgáltak, mindkettő fémötvözet, amelynek atomjai harmincoldalú, úgynevezett rombikus triakontaédereket alkotnak. Ezek, akárcsak az ötszögek, nem illeszkednek hézagmentesen, ezért a kváziperiodikus szerkezet magától kialakul. A kutatók röntgendiffrakciós mérésekből ismerték meg ezeknek a kristályoknak az atomi szerkezetét, majd egy korszerű számítási módszert (DFT, sűrűség-funkcionál elmélet) vetettek be. Ez lehetővé teszi az anyag belső energiaviszonyainak (például keménység, stabilitás) előrejelzését.
A DFT-számítások a részecskék számával exponenciálisan nehezebbé válnak, de a kutatók „nanoscooping” módszerrel véletlenszerűen kiválasztott, eltérő méretű (24–740 atomból álló) kvázikristály-darabokat vizsgáltak, ami lehetővé tette, hogy a legkisebbtől a nagyobb darabokig modellezzék az energiamérlegeket. Ezek eddig példátlanul komoly számításokat igényeltek: első ízben használtak exaszintű MI-szuperszámítógépeket, amelyek több mint egymilliárd-milliárd műveletet végeztek másodpercenként.
A felületi és tömbenergia mérlegelése végül azt mutatta, hogy a kvázikristályok ezekben az ötvözetekben valóban termodinamikailag stabilak – vagyis atomjaik nem hajlanak át valamilyen rendezettebb, „energiatakarékosabb” elrendezésbe. Kiderült, hogy a rombikus triakontaéderek, a kvázikristályok építőkövei, alapvetően boldog, tehát energetikailag előnyös formát alkotnak.
Kvázikristályok látványos születése
A részecskék önszerveződésének közvetlen megfigyelése eddig szinte lehetetlen volt, mert az atomok túl aprók ehhez. Ezért a kutatók egy frappáns trükkhöz folyamodtak: mikrométeres méretű Dynabeads (mágneses gömbök) segítségével „nagyban” hoztak létre kvázikristályokat. Ezek a részecskék 10 000-szer nagyobbak az atomoknál, így már mikroszkóppal is jól láthatók. Mágneses és elektromos mezőket használtak, ezért a szerkezetek az origóból kiindulva, mint egy háromdimenziós hókristály, maguktól kibontakoztak.
Ez az eljárás megnyitja az utat a kvázikristályok valós idejű megfigyelése és ipari méretű „kitermelése” előtt. Bár még nem világos, mennyire általánosíthatók a mechanizmusok minden kvázikristályrendszerre, jelentős kreatív lépést jelent megértésük és alkalmazásuk felé.
Új tulajdonságok, új lehetőségek
A kutatások során meglepő fizikai jelenségeket találtak. Japán tudósoknak most először sikerült kvázikristályban antiferromagnetizmust kimutatni – egy olyan mágneses elrendeződést, amely korábban túl szabályosnak tűnt ahhoz, hogy ilyen „szabálytalan” szerkezetben megjelenjen.
Összefoglalva, a kvázikristályok minden irányból – az aperiodikus matematikai csempézésektől a szupravezetés fizikáján át az ötvözetkémiai viselkedésig – izgalmas kutatási területet jelentenek, amelyben matematikusok, fizikusok, kémikusok és művészek egyaránt új inspirációra lelnek. Olyanok, mint a kacsacsőrű emlős: se nem kristály, se nem amorf, kicsit mindkettő, de igazán lenyűgöző.
