Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества - Пол Стейнхардт
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Минерал i-phase II оказался совершенно неожиданным третьим типом природного квазикристалла, обнаруженным в образцах метеорита Хатырка.
Рабочее название i-phase II означает, что это вторая икосаэдрическая квазикристаллическая фаза вещества. Как и икосаэдрит, третий природный квазикристалл имеет икосаэдрическую симметрию и состоит из тех же элементов – алюминия, меди и железа. Но соотношение этих трех элементов в нем совсем другое, что делает его химически и структурно отличным.
Анализируя формы икосаэдрита и i-phase II с учетом окружающих минералов, Линкольн и Чейни смогли заполнить некоторые из оставшихся пробелов в череде событий, случившихся с Хатыркой сотни миллионов лет назад. Они определили, что крошечный фрагмент металла, содержащий i-phase II, расплавился в результате удара, а затем затвердел, образовав комплекс металлических сплавов в форме лающей собаки. Это означало, что участки с i-phase II определенно сформировались после столкновения. С другой стороны, взаимное расположение икосаэдрита и окружающего его металла показывало, что они определенно не были расплавлены ударом. А значит, икосаэдрит совершенно точно существовал до удара.
После и до удара? Как могли быть верны одновременно обе версии?
Похоже, ответ заключается в том, что сильный удар, который воздействовал на Хатырку, вызвал невероятные колебания давления и температуры. В пределах нескольких микрон (миллионных долей метра), что примерно соответствует размеру красных кровяных телец, эритроцитов, одни области подверглись расплавлению, а другие – нет. В результате Хатырка включает два разных квазикристалла с икосаэдрической симметрией, которые содержат разные пропорции одних и тех же элементов и образовались в разное время. Это было поистине поразительное открытие.
Важным следствием стало то, что теперь мы точно знали: икосаэдрит из Хатырки, первый когда-либо обнаруженный природный квазикристалл, образовался до столкновения. Это согласовывалось с теорией Гленна о том, что он может датироваться эпохой возникновения Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад, и опровергало идею Линкольна о том, что он образовался после столкновения.
С моей точки зрения, обнаружение i-phase II было самым значительным открытием на тот момент по другой причине. Я надеялся на нечто подобное еще с 1984 года, когда мы с моим учеником Довом Левином впервые опубликовали наше теоретическое доказательство. Именно тогда я впервые стал носиться с идеей поиска природного квазикристалла, изучая витрины в известных минералогических музеях.
У меня всегда была двойная цель. Во-первых, я хотел доказать, что квазикристаллы достаточно устойчивы, чтобы, как я давно подозревал, образовываться в природе. Во-вторых, я пытался понять, может ли обнаружение природного квазикристалла открыть дорогу к поиску ранее неизвестных типов квазикристаллов.
С открытием i-phase II моя мечта сбылась. Для меня он важнее любых других найденных нами природных квазикристаллов, поскольку он стал первым обнаруженным в природе до того, как был синтезирован в лаборатории.
В том, что касается исследования уникальных свойств и потенциальных применений квазикристаллов, ученые едва прикоснулись к вершине айсберга. За последние три десятилетия в лабораториях синтезировано более сотни квазикристаллов различного состава. Однако большинство из них химически близки к исходным квазикристаллам, открытым Дэном Шехтманом и Ан-Пан Цаем.
Недостаток разнообразия связан с тем, что не существует теоретических подсказок, позволяющих определить, какие именно комбинации атомов и молекул способны образовать эту уникальную и удивительную форму вещества. Поиск новых примеров обычно осуществляется методом проб и ошибок. Самый простой подход, используемый многими учеными, – внести небольшое изменение в химический состав синтетического квазикристалла, о существовании которого уже известно.
Но это накладывает свои ограничения. Для тех, кто хочет найти квазикристаллы с более интересными свойствами – как с практической, так и с научной точки зрения, – повысить шансы на успех может исследование того, что природа создала сама, без вмешательства человека. С этой целью мы с Полом Азимовым планируем сейчас новые эксперименты с пушкой. Эксперименты с новыми методами изготовления открывают еще один путь для продвижения науки вперед.
Несмотря на все наши успехи, в отношении Хатырки остается один очень серьезный вопрос, на который все еще нет ответа и который продолжает меня интриговать.
За счет какого-то загадочного процесса природе удалось сформировать квазикристаллы с металлическим алюминием, находящиеся в прямом контакте с неметаллическими минералами, богатыми кислородом, несмотря на то что алюминий имеет ненасытное сродство к кислороду. По причинам, которые мы пока не способны объяснить, алюминий в наших природных квазикристаллах не реагировал с кислородом в силикате. Обычно химических сил достаточно, чтобы вызвать реакцию между кислородом и алюминием с образованием корунда, чрезвычайно твердой версии оксида алюминия. Если бы мы сумели разобраться в этом природном процессе, то могли бы научиться новому, более эффективному способу создания как обычных кристаллов, так и металлических квазикристаллов, содержащих алюминий.
Фотонные кристаллы
Но есть ли основания полагать, что хоть какой-то квазикристалл может обладать новыми и полезными свойствами для науки и промышленности?
Да. Мы можем моделировать квазикристаллы на компьютере или создавать на 3D-принтере модели, вроде изображенной справа. Этот пример был построен в 2005 году в Принстоне Вейнингом Маном и Полом Чайкином, с которыми мы сотрудничали в исследовании фотонных свойств квазикристаллов.
Исследования в области фотоники можно напрямую сопоставить с электроникой. Электроника касается прохождения электронов через материалы. Фотоника рассматривает прохождение через материалы световых волн. Если бы мы могли заменить электронные схемы на фотонные, скорость передачи увеличилась бы, а потери тепла из-за сопротивления уменьшились бы. Одна из основных задач – найти способ использовать фотонику для воспроизведения полупроводниковых эффектов, подобных тем, что наблюдаются в кремнии, германии и арсениде галлия. Из этих материалов делают транзисторы и другие электронные компоненты, используемые для усиления и передачи сигналов в компьютерах, сотовых телефонах, радиоприемниках и телевизорах.
Главным свойством полупроводника является то, что электроны не могут двигаться сквозь него, если их энергия попадает в определенный диапазон. Инженеры используют возможности, предоставляемые этой “запрещенной зоной”, для управления потоком электронов и переносимой ими информации.
Нечто подобное существует и в фотонике. Можно создать материал с “фотонной запрещенной зоной”, которая блокирует световые волны в определенном диапазоне энергий. Первыми примерами стали фотонные кристаллы, придуманные и синтезированные четверть века назад.
Просвечивая микроволнами нашу напечатанную 3D-структуру, мы с Вейнингом Маном и Полом Чайкином показали, что некоторые свойства фотонных кристаллов есть и у квазикристаллов. В частности – фотонная запрещенная зона. И, что самое важное, по характеристикам своей запрещенной зоны квазикристаллы превосходят фотонные кристаллы, поскольку обладают более высокой вращательной симметрией. Это делает их фотонные запрещенные зоны более сферическими, что полезно для практических целей.
Этот пример с фотоникой показывает, что в некоторых приложениях квазикристаллы
