Материал, который не должен существовать. Сенсация в науке

Недавно в научном мире произошёл настоящий прорыв, который может перевернуть наше понимание материалов.

Исследования, проведённые в одном из ведущих университетов США, показали, что существует необычное состояние вещества, которое сочетает в себе черты как кристаллов, так и стекла, но при этом обладает уникальной стабильностью. Это открытие связано с так называемыми квазикристаллами — загадочными структурами, которые долгое время считались невозможными.

Квазикристаллы представляют собой особый тип твёрдых тел, где атомы выстраиваются в решётку, как в кристаллах, но при этом не образуют повторяющихся узоров, как это происходит в обычных кристаллических материалах.

Для изучения этих структур был разработан новый подход, основанный на квантово-механическом моделировании. Этот метод позволил доказать, что квазикристаллы, несмотря на их внешнее сходство с хаотичными материалами, такими как стекло, на самом деле являются устойчивыми по своей природе.

Один из авторов исследования отметил, что для создания материалов с заданными характеристиками крайне важно понимать, как именно атомы должны быть организованы в пространстве. По его словам, квазикристаллы заставили учёных пересмотреть устоявшиеся представления о том, как и по каким причинам формируются те или иные вещества. До этого открытия оставалось неясным, что именно позволяет квазикристаллам существовать.

История квазикристаллов началась ещё в 1984 году, когда израильский исследователь Даниэль Шехтман обнаружил, что в сплавах алюминия и марганца атомы могут образовывать необычную икосаэдрическую структуру, напоминающую множество соединённых 20-гранников.

Эта структура обладала так называемой пятикратной симметрией, что означало, что материал выглядел одинаково с пяти разных точек обзора. В то время считалось, что такая симметрия невозможна в кристаллах, поскольку атомы в них всегда должны выстраиваться в повторяющиеся последовательности. Шехтман столкнулся с резкой критикой, но со временем его выводы подтвердились: квазикристаллы были созданы в лабораториях и даже обнаружены в метеоритах, возраст которых достигает миллиарда лет. В 2011 году за это открытие Шехтман был удостоен Нобелевской премии по химии, однако многие вопросы о природе квазикристаллов оставались без ответа.

Одной из главных трудностей в изучении квазикристаллов было то, что традиционные методы расчёта стабильности кристаллов, основанные на квантовой механике, требовали наличия бесконечно повторяющихся структур, которых в квазикристаллах нет.

Один из молодых исследователей, участвовавших в проекте, подчеркнул, что для понимания любого материала необходимо сначала разобраться, что обеспечивает его устойчивость, но в случае с квазикристаллами это было особенно сложной задачей.

Обычно атомы в материалах выстраиваются таким образом, чтобы минимизировать энергию химических связей, образуя так называемые энтальпийно-стабилизированные кристаллы. Однако существуют и другие вещества, устойчивость которых обусловлена высокой энтропией, то есть большим количеством возможных вариантов расположения или колебаний атомов.

Примером такого материала является стекло, которое формируется при быстром охлаждении расплавленного кремнезёма, фиксируя атомы в хаотичном состоянии. Если же охлаждение происходит медленно или к кремнезёму добавляют определённые вещества, атомы могут выстроиться в упорядоченные кристаллы кварца, обладающие минимальной энергией. Квазикристаллы же занимают промежуточное положение: их атомы локально упорядочены, как в кристаллах, но при этом не образуют глобально повторяющихся узоров, как в стекле.

Чтобы понять, что именно делает квазикристаллы устойчивыми — энтальпия или энтропия, — исследователи разработали новый метод. Они выделили небольшие наночастицы из смоделированного блока квазикристалла и рассчитали их общую энергию. Поскольку наночастицы имеют чёткие границы, для таких расчётов не требуется бесконечная последовательность атомов. Анализируя энергию наночастиц разного размера, учёные смогли оценить общую энергию более крупного квазикристаллического блока. В результате было установлено, что два хорошо изученных квазикристалла — сплавы скандия с цинком и иттербия с кадмием — стабилизированы именно за счёт энтальпии.

Однако расчёты для крупных наночастиц оказались сложной задачей, так как увеличение числа атомов в наночастице резко увеличивало время вычислений.

Один из соавторов исследования рассказал, что традиционные алгоритмы требуют взаимодействия всех компьютерных процессоров, что значительно замедляет процесс. Однако команде удалось разработать новый алгоритм, который в сто раз быстрее благодаря использованию только соседних процессоров и графических ускорителей суперкомпьютеров. Этот подход открывает возможности для моделирования не только квазикристаллов, но и других сложных материалов, таких как стекло, а также дефектов в кристаллах, которые могут стать основой для технологий квантовых вычислений.

Уточнения

Квазикриста́лл — твёрдое тело, характеризующееся симметрией, запрещённой в классической кристаллографии, и наличием дальнего порядка.