Квазикристалите са най-странната материя във Вселената. Физиците най-накрая разбраха защо те могат да съществуват

Представете си свят от атоми. По правило в него цари строга дисциплина. Атомите или се подреждат в перфектни, безкрайно повтарящи се решетки като войници на парад – това са кристалите. Диамант, сол, снежинка – всички те са примери за съвършен ред. Или пък са в пълен хаос, като тълпата на гарата – те са аморфни тела като обикновеното стъкло на прозореца. Ред или безпорядък. Изглежда, че няма трето положение.

Но какво би било, ако има нещо по средата? Материал, който е едновременно подреден и въпреки това никога не се повтаря? Дълго време самата идея изглеждаше абсурдна, докато през 1982 г. ученият Дан Шехтман откри точно такава структура, за което по-късно получи Нобелова награда. Така светът научи за квазикристалите – най-странната и най-загадъчната форма на твърдата материя.

И основната загадка е: как изобщо е възможно те да са стабилни?

Между чука и наковалнята: трите съдби на атомите

За да разберем странностите на квазикристалите, нека се заемем с техните „съседи“.

Кристалите са образец за стабилността. Структурата им прилича на перфектно положен паркет, където всяка дъска е идентична и моделът се повтаря до безкрай. От гледна точка на физиката тази конфигурация има минимална енергия. Атомите са намерили своето най-удобно, „тихо“ място и за да ги раздвижите, трябва да приложите голяма сила.

При стъклото (и другите аморфни тела) е точно обратното. То прилича по-скоро на купчина от един и същи паркет, захвърлен безразборно на пода. Структурата е застинала в произволно положение. Тя изглежда твърда, но всъщност е в метастабилно състояние. Това означава, че системата не е намерила своя енергиен минимум. Дайте ѝ достатъчно време (хиляди години) или малко енергия (нагряване) и атомите ще започнат да се пренареждат в опит да се превърнат в пълноценен кристал.

От друга страна, квазикристалите нарушават тази проста логика. Те имат строг ред, но нямат повторение – като мозайка, чийто модел никога не се повтаря. Тази структура се нарича апериодична. Заради тази „неправилност“ физиците дълго време интуитивно ги класифицираха като метастабилни странни кристали, подобно на стъклото. Изглеждаше очевидно, че такава сложна и неповтаряща се структура не може да бъде енергийно благоприятна.

Колко много са грешали.

Енергията е всичко

Ключът, както често се случва във физиката, се крие в понятието енергия. Природата е мързелива и винаги се стреми към състояние с най-малък разход на енергия. Топката винаги се търкаля надолу, а не нагоре. Горещият чай се охлажда, като отдава енергия на околната среда. По подобен начин атомите, когато се съединяват, търсят онази конфигурация, за чието поддържане е необходимо най-малко количество енергия.

Екип от учени от Мичиганския университет, ръководен от Уенхао Сун, решава да провери старата хипотеза, като използва най-мощния инструмент на нашето време – компютърното моделиране. Но това не е просто. Става дума за това, че стандартните програми за изчисляване на атомните структури са „прецизирани“, за да търсят периодичност. Те работят добре с кристалите, но пред апериодичната мозайка на квазикристала просто пасуват.

Изследователите са използвали иновативен изчислителен метод, който им е позволил да заобиколят това ограничение. Те създали във виртуалното пространство наночастици от два известни квазикристала (на базата на скандий-цинк и итербий-кадмий) и щателно изчислили общата им енергия. След това я сравнили с енергията, която същите атоми биха имали, ако бяха подредени в „правилна“ кристална решетка.

Резултатът се оказа поразителен. Противно на всички очаквания, именно квазикристалната, „неправилна“ структура за тези комбинации от атоми се е оказала енергийно най-благоприятна. „Топката“ вече е лежала на дъното на своя собствена, уникална кухина. Квазикристалите не просто се „толерират“ от природата – за някои вещества те са най-стабилната и предпочитана форма на съществуване.

Какво следва? От мистерията на природата до суперматериалите

Това откритие не е просто краят на един дългогодишен научен дебат. То открива изцяло нов хоризонт. На първо място, то обяснява защо квазикристалите са толкова редки в природата и толкова трудни за синтезиране в лабораторни условия. Тъй като те се образуват само при много специфична комбинация от атоми и условия, появата им е по-скоро изключение, отколкото правило.

На второ място, което е най-вълнуващо, сега можем да изследваме техните уникални свойства по целенасочен начин. А те са наистина удивителни. Поради сложната си структура квазикристалите взаимодействат с топлината и електричеството по съвсем различен начин. Те могат да бъдат едновременно свръхздрави и с ниско триене, като са лоши проводници на топлината, но добри проводници на електричеството. Това открива пътя към създаването на материали с безпрецедентни характеристики: от следващото поколение незалепващи покрития до високоефективни термоелектрици, които могат да превръщат отпадъчната топлина в полезна енергия.

Както сполучливо отбелязва Питър Бромър от Университета в Уоруик, коментирайки работата на колегите си: „Може би следващият суперматериал ще бъде открит не в лабораторията, а на компютъра“. Историята на квазикристалите е ясно доказателство за това. Навлизаме в епоха, в която най-смелите идеи за структурата на материята могат да бъдат тествани във виртуалния свят, за да бъдат след това реализирани в реалността. А кой знае какви други „грешни“ чудеса крие от нас природата, чакайки да се досетим да и зададем правилния въпрос.