Квазикристаллы: уникальные материалы с необычными свойствами
Квазикристаллы — это уникальные материалы, которые нарушают привычные представления о кристаллической структуре вещества. Их открытие в 1982 году израильским физиком Даниелем Шехтманом стало настоящей сенсацией в науке и даже вызвало споры среди учёных. За это открытие Шехтман был удостоен Нобелевской премии по химии в 2011 году. Квазикристаллы представляют собой промежуточное состояние между кристаллами и аморфными материалами, что делает их изучение особенно увлекательным.
Что такое квазикристаллы?
Традиционно кристаллы определяются как материалы с упорядоченной и периодической структурой атомов. Их симметрия и повторяющийся узор позволяют описывать такие материалы с помощью математических моделей. Однако квазикристаллы нарушают этот принцип периодичности. Они обладают упорядоченной, но непериодической структурой, что означает, что их атомы располагаются по определённым правилам, но этот порядок не повторяется на регулярной основе.
Одной из ключевых особенностей квазикристаллов является их симметрия. В отличие от обычных кристаллов, которые могут обладать только разрешёнными типами симметрии (например, трёхкратной или четырёхкратной), квазикристаллы могут демонстрировать запрещённые виды симметрии, такие как пятикратная или десятикратная. Это стало возможным благодаря их особой атомной упаковке, которая напоминает узоры Пенроуза — мозаики, созданные из двух типов плиток, которые заполняют плоскость без повторения.
История открытия:
Открытие квазикристаллов произошло случайно. В 1982 году Даниель Шехтман, изучая сплав алюминия и марганца с помощью электронного микроскопа, обнаружил необычную дифракционную картину. Вместо ожидаемых точек, характерных для периодических кристаллов, он увидел десятикратную симметрию — явление, которое считалось невозможным согласно классическим законам кристаллографии.
Первоначально его выводы вызвали недоверие со стороны научного сообщества. Многие учёные считали, что результаты Шехтмана являются ошибкой или результатом загрязнения образца. Однако дальнейшие исследования подтвердили существование квазикристаллов, что привело к пересмотру фундаментальных понятий в науке о материалах.
Свойства и применение:
Квазикристаллы обладают рядом уникальных физических и химических свойств, которые делают их перспективными для различных применений:
1. Высокая твёрдость и прочность: Квазикристаллы отличаются высокой устойчивостью к механическим нагрузкам и износу.
2. Теплоизоляция: Они имеют низкую теплопроводность, что делает их подходящими для использования в качестве теплоизоляционных материалов.
3. Антипригарные свойства: Квазикристаллические покрытия демонстрируют низкий коэффициент трения и устойчивость к коррозии, поэтому их применяют в производстве кухонной посуды.
4. Электронные свойства: Некоторые квазикристаллы обладают необычными электрическими характеристиками, что делает их интересными для электроники.
На практике квазикристаллы уже нашли применение в ряде областей. Например, они используются в авиационной промышленности для создания лёгких и прочных материалов, а также в медицине для производства биосовместимых имплантатов.
Заключение:
Квазикристаллы — это пример того, как природа может удивлять нас своими сложными и необычными структурами. Их открытие не только изменило наше понимание материи, но и открыло новые горизонты для исследований и технологий. Несмотря на то, что эти материалы всё ещё остаются объектом активного изучения, уже сейчас понятно, что их уникальные свойства могут сыграть важную роль в развитии науки и промышленности.