» » Невозможные кристаллы

Невозможные кристаллы

Невозможные кристаллы

На фото — сплав гольмия, магния и цинка. Кристалл синтезирован в лаборатории и имеет грани в форме правильных пятиугольников. Такие кристаллы обладают «запрещенной» с точки зрения классической кристаллографии симметрией, поэтому их называют квазикристаллами.

Кристаллическая решетка всех минералов обладает двумя важными свойствами. Первое — повторяемость (трансляция) некоего минимального набора атомов (элементарной ячейки) в пространстве. Зная такой элементарный набор атомов и их расположение друг относительно друга, можно охарактеризовать кристалл минерала любого размера и формы.


Невозможные кристаллы

Элементарная ячейка галита. Перемещением элементарной ячейки вдоль осей x, y, z (они идут параллельно граням куба) на расстояние, равное ребру куба, можно воссоздать форму любого природного кристалла галита. Рисунок с сайта physicsopenlab.org


Второе важное свойство кристаллической решетки — наличие у минералов поворотной оси симметрии. При повороте вокруг этой оси на определенный угол кристалл совмещается с самим собой. Количество совмещений при повороте на 360 градусов называется порядком оси (он обозначается цифрой внизу). Например, куб обладает тремя осями 4-го порядка, четырьмя осями 3-го порядка и шестью осями 2-го порядка.


Невозможные кристаллы

Оси симметрии куба: L4, L3, L2. Рисунки с сайта media.ls.urfu.ru


В классической кристаллографии было доказано, что в кристаллах в том или ином виде возможны сочетания осей второго, третьего, четвертого и шестого порядков. В то время как осей пятого порядка и выше шестого не существует. Графически это можно проиллюстрировать следующим образом. Представим двумерную кристаллическую решетку. Мы можем заполнить плоскость без пробелов и перекрытий только треугольниками, квадратами и шестиугольниками, тогда как правильными пятиугольниками это сделать нельзя (см. Пятиугольный паркет). То есть если предположить существование кристалла с элементарной ячейкой в форме правильного додекаэдра, то такой кристалл будет обладать поворотной осью симметрии пятого порядка, но в нем будет отсутствовать свойство трансляции.


Невозможные кристаллы

Полностью заполнить плоскость без перекрытий и пробелов возможно только треугольниками, квадратами и шестиугольниками. Вверху — правильные паркеты (замощение, выполненное из одинаковых правильных многоугольников), рисунки с сайта ru.wikipedia.org. Внизу — пятиугольная плитка, видны пробелы на плоскости. Рисунок с сайта cosmic-core.org


Однако в 1982 году израильский материаловед Дан Шехтман, изучая дифракцию электронов на быстроохлажденном сплаве алюминия и марганца Al86Mn14, обнаружил «странные» кристаллы, имеющие ось симметрии пятого порядка. Такие кристаллы были названы квазикристаллами, от латинского quasi — «наподобие», «нечто вроде». За это открытие в 2011 году Шехтману была присуждена Нобелевская премия по химии (см. статью Квазикристаллы и квазиобразование). К настоящему моменту открыты сотни квазикристаллов, имеющих ось симметрии восьмого, десятого и двенадцатого порядков.

Квазикристаллы долго не выходили за пределы лабораторий, и их получение было трудной задачей — пока в 2009 году в образце метеорита, найденного в Корякском нагорье на Дальнем Востоке России, не был обнаружен квазикристалл, причем его состав был близок к составам искусственных квазикристаллов, получаемых в лаборатории (Al65Cu20Fe15).


Невозможные кристаллы

A — исходный образец метеорита, содержащий квазикристалл. метеорит в основном представлен смесью шпинели, авгита и оливина. В — зерно состава Al63Cu24Fe13, красным пунктирным кругом отмечем участок, использованный для получения изображения C. С — изображение атомарной решетки зерна, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM). Фотографии из статьи L. Bindi et al., 2009. Natural quasicrystals


Для исследования кристаллической решетки неизвестного зерна был применен метод просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM — high-resolution transmission electron microscopy). Суть метода состоит в просвечивании тонкого образца (менее 0,1 мкм) электронным пучком, при этом, из-за неоднородного поглощения электронов разными участками просвечиваемого образца, формируется картина расположения атомов в узлах решетки.

Принцип работы просвечивающего электронного микроскопа

В результате было доказано, что минерал, впоследствии названный икосаэдритом (icosahedrite), является квазикристаллической фазой, имеющей запрещенную симметрию с классической точки зрения.


Невозможные кристаллы

Изображение кристаллической структуры квазикристалла Al63Cu24Fe13 из метеорита, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения при различных наклонах образца под разными углами. Изображения перпендикулярны осям пятого порядка (A), третьего порядка (B) и второго порядка (С). фото из статьи L. Bindi et al., 2009. Natural quasicrystals


Продолжая свои поиски природных квазикристаллов, группа исследователей в 2011 году организовала экспедицию на место находки первого образца. В образцах метеорита Хатырка был обнаружен новый квазикристалл состава Al71Ni24Fe5.


Невозможные кристаллы

Вверху — 3D-изображение зерна, содержащего квазикристалл. Внизу — изображение квазикристалла Al71Ni24Fe5 в сканирующем электронном микроскопе. Квазикристалл (QC) находится в контакте с оливином (Ol) и содалитом (Sod). Изображение из статьи L. Bindi et al., 2015. Natural quasicrystal with decagonal symmetry


Образование квазикристаллических фаз в метеорите связывают с нагреванием до температур 1100–1500 K, а затем чрезвычайно быстрым охлаждением. Сходным образом, путем нагревания до высоких температур и быстрого охлаждения, квазикристаллы получают и в лабораториях.

Однако как же происходит замещение плоскости пятиугольниками без пробелов и перекрытий? В первом приближении квазикристаллы можно описать так называемыми мозаиками Пенроуза. Их главной особенностью является отсутствие трансляционной симметрии. Применительно к квазикристаллам это означает, что в квазикристалле невозможно выделить элементарную ячейку.


Невозможные кристаллы

Мозаика Пенроуза. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org


Отсутствие трансляционной симметрии влияет на свойства квазикристаллов. Они обладают плохой теплопроводностью, скользкостью, высокой прочностью, но при этом и хрупкостью. Одним из первых применений квазикристаллов стало их использование в качестве покрытий для... сковород! Хотя такое покрытие и обладало износостойкостью и прочностью и к нему не прилипала пища, было показано, что приготовление пищи с большим количеством соли приводит к разрушению квазикристаллического покрытия. Добавление квазикристаллов в сталь улучшает ее механические свойства, в частности квазикристаллические частицы препятствуют движению дислокаций в стали. Также квазикристаллы в перспективе можно применять при создании солнечных батарей.

фото с сайта geologyin.com.

Александр Марфин

18 сентябрь 2020 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Стержень, бородки и крючки

Рис. 1. Строение пера птицы. Рисунок с сайта birdsofseabrookisland.org. Перо птицы — это сложная структура...

Оливин в поляризованном свете

Именно таким цветным калейдоскопом представляется исследователям дунит — одна из главных пород верхней мантии Земли, состоящая из оливина с примесью хромита, — в скрещенных николях (двойная

Двойное лучепреломление

На фото — крупные фрагменты кристаллов поваренной соли (минерал галит) и исландского шпата (минерал кальцит)...

Лучи навроцкиита

На этой увеличенной фотографии, которая охватывает поле шириной всего 1 мм, видны длинные конические иглы, расходящиеся в разные стороны...

Молекулярный треугольник Серпинского

Эта структура, напоминающая треугольник Серпинского, получена самосборкой в сверхглубоком вакууме из атомов железа и органических молекул...
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Существует 50% вероятность того, что мы живем в симуляцииВремя эластично: почему на вершине горы время идет быстрее, чем на пляже?Кого и зачем приносили в жертву Древние Египтяне?На МКС найдено место утечки воздуха. Что дальше?Ученые пытаются понять, как могла появиться жизнь на ВенереПочему птицы летают клином11 живописных мест на планете, раскрашенных самой осеньюКрупнейшая озоновая дыра зафиксирована над Антарктидой