Iedomājieties atomu pasauli. Tajā parasti valda stingra disciplīna. Atomi vai nu izkārtojas ideālos, bezgalīgi atkārtojos režģos, kā karavīri parādē — tā ir kristāli. Dimants, sāls, sniegpārsla — visi šie ir piemēri nevainojamai kārtībai. Vai arī tie atrodas pilnīgā haosā, kā pūlis stacijā — tie ir amorfi ķermeņi, piemēram, parasts logu stikls. Kārtība vai haoss. Trešā iespēja, šķiet, nav.
Satura rādītājs
Bet kas, ja pastāv kaut kas vidējs? Materiāls, kas vienlaikus ir sakārtots, bet nekad neatkārtojas? Ilgu laiku pati ideja šķita absurda, līdz 1982. gadā zinātnieks Dans Šehmans atklāja tieši tādu struktūru, par ko vēlāk saņēma Nobela prēmiju. Tā pasaule uzzināja par kvazikristāliem — visdīvaināko un noslēpumaināko cietas vielas formu.
Starp āmuru un laktas: trīs atomu likteņi
Lai saprastu visu kvazikristālu dīvainību, aplūkosim to “kaimiņus”.
- Kristāli ir stabilitātes paraugs. To struktūra ir līdzīga ideāli izklātam parketa grīdam, kur katra dēlīte ir vienāda un raksts atkārtojas bezgalīgi. No fizikas viedokļa šādai konfigurācijai ir minimāla enerģija. Atomi ir atraduši sev visērtāko, „mierīgāko” vietu, un, lai tos pārvietotu, ir nepieciešams pielikt ievērojamu spēku.
- Stikls (un citi amorfi ķermeņi) ir pilnīgs pretmets. Tas drīzāk atgādina kaudzi tā paša parketa, kas haotiski izmests uz grīdas. Struktūra ir sastindzis nejaušā stāvoklī. Tā šķiet cieta, bet patiesībā atrodas metastabilā stāvoklī. Tas nozīmē, ka sistēma nav atradusi savu enerģijas minimumu. Dodiet tai pietiekami daudz laika (tūkstošiem gadu) vai nedaudz enerģijas (sildīšanu), un atomi sāks pārkārtoties, cenšoties kļūt par pilnvērtīgu kristālu.
Kvazikristāli lauza šo vienkāršo loģiku. Tajos ir stingra kārtība, bet tajā pašā laikā nav atkārtošanās — tie ir kā mozaīka, kuras raksts nekad neatkārtojas. Šāda struktūra tiek saukta par aperiodisku. Šīs “nepareizības” dēļ fizikas zinātnieki ilgu laiku intuitīvi tos uzskatīja par metastabiliem dīvainiem, tāpat kā stiklu. Šķita acīmredzams, ka tik sarežģīta un neatkārtojama struktūra nevar būt enerģētiski izdevīga.
Enerģija — viss ir galvā
Atbilde, kā tas bieži notiek fizikā, slēpās enerģijas jēdzienā. Daba ir slinka un vienmēr tiecas uz stāvokli ar vismazāko enerģijas patēriņu. Bumba vienmēr ripo uz leju, nevis uz augšu. Karstā tēja atdziest, atdodot enerģiju apkārtējai videi. Tāpat arī atomi, savienojoties, meklē tādu konfigurāciju, kas prasa minimālu enerģiju savai uzturēšanai.
Zinātnieku komanda no Mičiganas Universitātes Vēnhao Sun vadībā nolēma pārbaudīt seno intuīciju, izmantojot mūsdienu spēcīgāko instrumentu — datoru modelēšanu. Bet ne vienkāršu. Lieta ir tāda, ka standarta programmas atomu struktūru aprēķināšanai ir “pielāgotas” periodiskuma meklēšanai. Tās lieliski darbojas ar kristāliem, bet neperiodiskas kvazikristāla mozaīkas priekšā vienkārši padodas.
Pētnieki izmantoja inovatīvu aprēķinu metodi, kas ļāva apiet šo ierobežojumu. Viņi virtuālajā telpā izveidoja divu pazīstamu kvazikristālu (uz skandija-cinka un iterbija-kadmija bāzes) nanodaļiņas un rūpīgi aprēķināja to kopējo enerģiju. Pēc tam viņi to salīdzināja ar enerģiju, kāda būtu tiem pašiem atomiem, ja tie būtu izkārtoti “pareizā” kristāliskā režģī.
Rezultāts bija pārsteidzošs. Pretēji visām gaidām, tieši kvazikristāliskā, “nepareizā” struktūra šīm atomu kombinācijām izrādījās enerģētiski visizdevīgākā. Bumba jau gulēja savā unikālajā bedrītē. Kvazikristāli nav vienkārši „pieņemami” dabā — dažām vielām tie ir visstabilākā un vēlamākā eksistences forma.
Kas tālāk? No dabas mīklas līdz supermateriāliem
Šis atklājums ne tikai noslēdz senu zinātnisko strīdu. Tas paver pilnīgi jaunas perspektīvas. Pirmkārt, tas izskaidro, kāpēc kvazikristāli ir tik reti sastopami dabā un tik sarežģīti laboratorijas sintēzē. Tā kā tie veidojas tikai ļoti specifiskā atomu un apstākļu kombinācijā, to rašanos var uzskatīt par izņēmumu, nevis par likumsakarību.
Otrkārt, un tas ir visvairāk aizraujošais, tagad mēs varam mērķtiecīgi pētīt to unikālās īpašības. Un tās patiešām ir pārsteidzošas. Savas sarežģītās struktūras dēļ kvazikristāli pilnīgi atšķirīgi mijiedarbojas ar siltumu un elektrību. Tie var būt vienlaikus gan ļoti izturīgi, gan ar zemu berzes koeficientu, būt sliktas siltuma vadītājas, bet labas elektrības vadītājas. Tas paver ceļu uz materiālu radīšanu ar iepriekš neredzētām īpašībām: no jaunās paaudzes pretiekaisuma pārklājumiem līdz augsti efektīviem termoelektriķiem, kas spēj pārvērst atkritumu siltumu lietderīgā enerģijā.
Kā precīzi norādīja Pīters Brommers no Vorvikas Universitātes, komentējot kolēģu darbu: „Iespējams, nākamais supermateriāls tiks atklāts nevis laboratorijā, bet datorā.” Kvazikristālu vēsture ir spilgts tam apliecinājums. Mēs ieejam laikmetā, kad visdrosmīgākās idejas par matērijas uzbūvi var pārbaudīt virtuālajā pasaulē, lai pēc tam tās īstenotu realitātē. Un kas zina, kādus vēl „nepareizus” brīnumus no mums slēpj daba, gaidot, kad mēs iedomāsimies uzdot tai pareizo jautājumu.
