Нобелевскую премию по химии за 2011 год присудили за открытие квазикристаллов

Графическая модель квазикристалла сплава алюминия с серебром

Нобелевский комитет счел открытие квазикристаллов столь значительным, а его историю - столь поучительной, что не стал делить премию между двумя-тремя учеными и присудил ее одному Дану Шехтману.

 

В среду в Стокгольме было объявлено о присуждении последней - третьей - нобелевской премии в области естественных наук за 2011 год. Лауреатом премии по химии стал израильский материаловед Дан Шехтман (Dan Shechtman), профессор Техниона - Израильского технологического института в Хайфе. Ученый награжден за открытие квазикристаллов.

Но что же такое эти самые квазикристаллы? Несколько упрощая, можно сказать, что это необычная форма упорядоченной структуры твердого тела, нечто среднее между классическими кристаллами и аморфными телами. "Квазикристаллы - это идеально упорядоченные материалы, однако их структура не обладает периодичностью, повторяемостью, - поясняет член Нобелевского комитета, профессор неорганической химии Стокгольмского университета Свен Лидин (Sven Lidin). - Некоторое представление о такой структуре дает орнамент  ряда средневековых мусульманских мозаик - например, в замке Альгамбра в Гранаде в Испании или в мечети Имама в Исфахане в Иране".

Симметрия, сингония и т.д.

Но произведение искусства или архитектуры - это одно, а структура твердого тела - совсем другое. Начало 80-х годов, когда Дан Шехтман приступил к изучению быстроохлажденного сплава алюминия с марганцем, было временем господства классической кристаллографии. Считалось непреложным, что все без исключения минералы, металлы и их сплавы обладают кристаллической структурой, то есть их атомы образуют трехмерную периодическую решетку, состоящую из закономерно повторяющихся элементарных ячеек. Различные формы этих ячеек и различные виды пространственной симметрии решеток лежат в основе классификации кристаллов.

Дан Шехтман

Иными словами, характеризуя кристалл, его относят к той или иной кристаллической системе, той или иной сингонии, тому или иному классу симметрии, той или иной пространственной группе. Исходя из этой классификации, классическая кристаллография исключала саму возможность существования определенных пространственных структур.

Верь глазам своим!

Вот поэтому-то и был так изумлен Дан Шехтман, когда, разглядывая картину дифракции электронов на образце своего сплава, обнаружил то, чего вообще не могло быть: наряду с типичными для обычного кристалла острыми пиками дифракционная картина в целом характеризовалась точечной симметрией икосаэдра. Между тем в трехмерной периодической решетке икосаэдрическая симметрия пятого порядка просто невозможна. В своем рабочем дневнике Шехтман пометил полученные данные тремя вопросительными знаками, благодаря чему мы теперь знаем совершенно точно не только дату, но даже время выдающегося открытия, что бывает крайне редко: оно было сделано ранним утром 8 апреля 1982 года.

"Это открытие стало полной неожиданностью как для его автора, так и для всего научного сообщества, - говорит профессор Лидин. - Потребовалось немало времени, прежде чем оно получило признание. Главное, Дан Шехтман не побоялся поверить собственным глазам больше, чем всему тому, что утверждалось в учебниках кристаллографии".

Уникальные физические свойства

Зато сегодня квазикристаллы являются объектом изучения целого ряда новых направлений исследований в физике, химии, математике и материаловедении - прежде всего, потому, что обладают уникальными свойствами. "Уникальность квазикристаллов связана с пространственным расположением составляющих их атомов, - поясняет профессор Лидин - Это расположение столь необычно, что прошло 25 лет, прежде чем мы смогли, наконец, выяснить, где же эти атомы действительно находятся. И это при том, что определение атомарной структуры твердого тела вообще-то уже давно является достаточно простой и рутинной процедурой. Однако в случае квазикристаллов это оказалось крайне сложной задачей, в решении которой пришлось принять участие ученым самых разных специальностей. Так вот, квазикристаллы обладают рядом весьма необычных физических свойств, что делает их интересным материалом для прикладных применений. Например, в агрессивных средах".

Богатые перспективы

Но это - в будущем. Тем более, что практически все квазикристаллы получают искусственно путем охлаждения металлических сплавов со строго определенной очень высокой скоростью - около миллиона градусов в секунду. Но более высокая скорость охлаждения приведет к получению аморфного металла, поэтому производство квазикристаллов связано с изрядными сложностями.

В природе же до сих пор был найден, да и то в ничтожных количествах, один-единственный квазикристалл. Речь идет о минерале, случайно обнаруженном в России, на Чукотке, на берегах реки Хатырка. Вполне естественно, что научные работы с квазикристаллами носят пока преимущественно фундаментальный характер. Однако это ни в коей мере не уменьшает выдающегося значения открытия израильского ученого.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман