Редкое и удивительное промежуточное состояние между кристаллом и стеклом может быть наиболее стабильным расположением для некоторых комбинаций атомов, согласно исследованию Мичиганского университета.
Результаты получены благодаря первому квантово-механическому моделированию квазикристаллов — типа твёрдых тел, которые учёные когда-то считали невозможными. Хотя атомы в квазикристаллах расположены в решётке, как в кристалле, структура атомов не повторяется, как в обычных кристаллах.
Новый метод моделирования показывает, что квазикристаллы, подобно кристаллам, являются фундаментально стабильными материалами, несмотря на их сходство с неупорядоченными твёрдыми телами, такими как стекло, которые образуются вследствие быстрого нагрева и охлаждения.
«Нам нужно знать, как располагать атомы в определённых структурах, если мы хотим создавать материалы с желаемыми свойствами», — сказал Вэньхао Сун, доцент кафедры материаловедения и инженерии имени Доу и автор соответствующей статьи, опубликованной сегодня в Nature Physics. «Квазикристаллы заставили нас переосмыслить, как и почему могут формироваться определённые материалы. До нашего исследования учёным было неясно, почему они существуют».
Открытие квазикристаллов
Квазикристаллы, казалось, бросили вызов физике, когда были впервые описаны израильским учёным Даниэлем Шехтманом в 1984 году. Экспериментируя со сплавами алюминия и марганца, Шехтман понял, что некоторые атомы металлов расположены в икосаэдрической структуре, напоминающей множество 20-гранных кубиков, соединённых гранями. Эта форма придавала материалу пятикратную симметрию — идентичность с пяти разных точек зрения.
Учёные того времени считали, что атомы внутри кристаллов могут быть расположены только в последовательностях, повторяющихся в каждом направлении, но пятикратная симметрия исключала такие закономерности. Шехтман первоначально столкнулся с пристальным вниманием из-за предположения о невозможном, но позже другие лаборатории произвели свои собственные квазикристаллы и обнаружили их в миллиардолетних метеоритах.
В итоге Шехтман получил Нобелевскую премию по химии в 2011 году за своё открытие, но учёные всё ещё не могли ответить на фундаментальные вопросы о том, как формируются квазикристаллы. Препятствием было то, что теория функционала плотности — квантово-механический метод расчёта стабильности кристалла — основана на закономерностях, которые бесконечно повторяются в последовательности, чего нет у квазикристаллов.
«Первый шаг к пониманию материала — это знать, что делает его стабильным, но было трудно определить, как стабилизированы квазикристаллы», — сказал Вухён Бэк, докторант Мичиганского университета в области материаловедения и инженерии и первый автор исследования.
Атомы в любом материале обычно образуют кристаллы так, что химические связи достигают минимально возможной энергии. Такие структуры учёные называют энтальпийно стабилизированными кристаллами. Но другие материалы образуются, потому что они имеют высокую энтропию, то есть существует множество различных способов расположения атомов или их вибрации.
Стекло — это пример энтропийно стабилизированного твёрдого тела. Оно образуется, когда расплавленный диоксид кремния быстро охлаждается, мгновенно замораживая атомы в бессистемную форму. Но если скорость охлаждения замедляется или в нагретый диоксид кремния добавляется основание, атомы могут образовывать кристаллы кварца — предпочтительное состояние с наименьшей энергией при комнатной температуре.
Квазикристаллы — это загадочное промежуточное состояние между стеклом и кристаллом. У них есть локально упорядоченные расположения атомов, как у кристаллов, но, подобно стеклу, они не образуют длинных повторяющихся закономерностей.
Чтобы определить, стабилизированы ли квазикристаллы энтальпийно или энтропийно, метод исследователей извлекает из более крупного смоделированного блока квазикристалла более мелкие наночастицы. Затем исследователи рассчитывают общую энергию в каждой наночастице, что не требует бесконечной последовательности, поскольку частица имеет определённые границы.
С помощью этого метода исследователи обнаружили, что два хорошо изученных квазикристалла стабилизированы энтальпийно. Один представляет собой сплав скандия и цинка, другой — иттербия и кадмия.