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 твёрдого тела, который учёные когда-то считали невозможным. Атомы в квазикристаллах расположены в решётке, как в кристалле, но узор 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 журнале Nature Physics. «Квазикристаллы заставили нас переосмыслить, как и почему могут формироваться определённые материалы. До нашего исследования учёным было неясно, почему они существуют».
История открытия квазикристаллов
Квазикристаллы, казалось, бросили вызов физике, когда впервые были описаны израильским учёным Даниэлем Шехтманом в 1984 году. Экспериментируя со сплавами алюминия и марганца, Шехтман понял, что атомы некоторых металлов расположены в икосаэдрической структуре, напоминающей множество 20-гранных игральных костей, соединённых друг с другом гранями. Эта форма придавала материалу пятикратную симметрию — идентичность с пяти разных точек обзора.
В то время учёные считали, что атомы внутри кристаллов могут быть расположены только в последовательностях, повторяющихся в каждом направлении, но пятикратная симметрия исключала такие узоры. Шехтман первоначально столкнулся с пристальным вниманием из-за предположения о невозможном, но позже другие лаборатории также создали свои квазикристаллы и обнаружили их в метеоритах миллиардолетней давности.
Шехтман в итоге 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 узорах, которые бесконечно повторяются в последовательности, чего нет у квазикристаллов.
«Первый шаг к пониманию материала — это знание того, что делает его стабильным, но было трудно определить, как стабилизируются квазикристаллы», — сказал У-М доктор наук по материаловедению и инженерии Вохён Бэ, первый автор исследования.
Атомы в любом материале обычно образуют кристаллы так, чтобы химические связи достигали 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 кремнезём быстро охлаждается, мгновенно замораживая атомы в бессистемную форму. Но если скорость охлаждения замедляется или в нагретый кремнезём добавляется основание, атомы могут образовывать кристаллы кварца — предпочтительное состояние с наименьшей энергией при комнатной температуре.
Квазикристаллы представляют собой загадочное промежуточное состояние между стеклом и кристаллом. Они имеют локально упорядоченные расположения атомов, как кристаллы, но, подобно стеклу, не образуют повторяющихся узоров на большом расстоянии.
Чтобы определить, являются ли квазикристаллы энтальпийно- или энтропийно-стабилизированными, исследователи взяли меньшие наночастицы из большего смоделированного блока квазикристалла. Затем они рассчитали общую энергию в каждой наночастице, что не требует бесконечной последовательности, поскольку у частицы есть определённые границы.
Поскольку энергия в наночастице связана с её объёмом и площадью поверхности, повторение расчётов для наночастиц увеличивающегося размера позволяет исследователям экстраполировать общую энергию внутри большего блока квазикристалла. С помощью этого метода исследователи обнаружили, что два хорошо изученных квазикристалла являются энтальпийно-стабилизированными. Один представляет собой сплав скандия и цинка, другой — иттербия и кадмия.
Для получения наиболее точных оценок энергии квазикристалла требуются максимально крупные частицы, но масштабирование наночастиц с помощью стандартных алгоритмов затруднительно. Для наночастиц, состоящих всего из сотен атомов, удвоение количества атомов увеличивает время вычислений в восемь раз. Но исследователи нашли решение и для этой проблемы.
«В традиционных алгоритмах каждый компьютерный процессор должен взаимодействовать друг с другом, но наш алгоритм в 100 раз быстрее, потому что взаимодействуют только соседние процессоры, и мы эффективно используем ускорение GPU на суперкомпьютерах», — сказал соавтор исследования Викрам Гавини, профессор Мичиганского университета в области машиностроения, материаловедения и инженерии.
«Теперь мы можем моделировать стекло и аморфные материалы, интерфейсы между различными кристаллами, а также дефекты кристаллов, которые могут обеспечить биты для квантовых вычислений».
stable materials, despite their similarity to disordered solids like glass that form as a consequence of rapid heating and cooling.”,”\”We need to know how to arrange atoms into specific structures if we want to design materials with desired properties,\” said Wenhao Sun, the Dow Early Career Assistant Professor of Materials Science and Engineering, and the corresponding author of the paper published today in Nature Physics. \”Quasicrystals have forced us to rethink how and why certain materials can form. Until our study, it was unclear to scientists why they existed.\””,”Quasicrystals seemed to defy physics when they were first described by Israeli scientist Daniel Shechtman in 1984. While experimenting with alloys of aluminum and manganese, Shechtman realized that some of the metals’ atoms were arranged in an icosahedral structure resembling many 20-sided dice joined at their faces. This shape gave the material five-fold symmetry—identical from five different vantage points.”,”Scientists at the time thought that the atoms inside crystals could only be arranged in sequences repeating in each direction, but five-fold symmetry precluded such patterns. Shechtman initially faced intense scrutiny for suggesting the impossible, but other labs later produced their own quasicrystals and found them in billion-year-old meteorites.”,”Shechtman eventually earned the Nobel Prize in Chemistry in 2011 for his discovery, but scientists still couldn’t answer fundamental questions on how quasicrystals formed. The roadblock was that density-functional theory—the quantum-mechanical method for calculating a crystal’s stability—relies on patterns that infinitely repeat in a sequence, which quasicrystals lack.”,”\”The first step to understanding a material is knowing what makes it stable, but it has been hard to tell how quasicrystals were stabilized,\” said Woohyeon Baek, a U-M doctoral student in materials science and engineering and the study’s first author.”,”The atoms in any given material usually arrange into crystals so that the chemical bonds achieve the lowest possible energy. Scientists call such structures enthalpy-stabilized crystals. But other materials form because they have high entropy, meaning there are a lot of different ways for its atoms to be arranged or vibrate.”,”Glass is one example of an entropy-stabilized solid. It forms when melted silica quickly cools, flash-freezing the atoms into a patternless form. But if the cooling rates slow, or a base is added to heated silica, the atoms can arrange into quartz crystals—the preferred, lowest energy state at room temperature.”,”Quasicrystals are a puzzling intermediate between glass and crystal. They have locally ordered atomic arrangements like crystals, but like glass, they do not form long-range, repeating patterns.”,”To determine if quasicrystals are enthalpy- or entropy-stabilized, the researcher’s method scoops out smaller nanoparticles from a larger simulated block of quasicrystal. The researchers then calculate the total energy in each nanoparticle, which doesn’t require an infinite sequence because the particle has defined boundaries.”,”Since the energy in a nanoparticle is related to its volume and surface area, repeating the calculations for nanoparticles of increasing sizes allows the researchers to extrapolate the total energy inside a larger block of quasicrystal. With this method, the researchers discovered that two well-studied quasicrystals are enthalpy-stabilized. One is an alloy of scandium and zinc, the other of ytterbium and cadmium.”,”The most accurate estimates of quasicrystal energy require the largest particles possible, but scaling up the nanoparticles is difficult with standard algorithms. For nanoparticles with only hundreds of atoms, doubling the atoms increases the computing time eightfold. But the researchers found a solution for the computing bottleneck, too.”,”\”In conventional algorithms, every computer processor needs to communicate with one another, but our algorithm is up to 100 times faster because only the neighboring processors communicate, and we effectively use GPU acceleration in supercomputers,\” said study co-author Vikram Gavini, a U-M professor of mechanical engineering and materials science and engineering.”,”\”We can now simulate glass and amorphous materials, interfaces between different crystals, as well as crystal defects that can enable quantum computing bits.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Michigan\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник