Нобелевская премия за мозаику Пенроуза. История квазикристаллов, которые сначала были лишь причудливым математическим узором

Квазикристаллы, открытые Дэном Шехтманом в 1982 году, с их “запрещенными” симметриями, на протяжении десятилетий оставались головоломкой для научного сообщества. Атомы в этих материалах формируют фигуры, такие как пятиугольники, образуя неповторяющиеся узоры. Механизм, посредством которого атомы самоорганизуются в такие сложные структуры без внешнего руководства, долгое время оставался неясным.

Недавние исследования пролили свет на эту загадку. Группа материаловеда Вэньхао Суна из Мичиганского университета впервые продемонстрировала термодинамическую стабильность некоторых квазикристаллов, где атомы не стремятся к более выгодному энергетическому состоянию. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

Параллельно, другие ученые разработали метод визуализации процесса формирования квазикристаллов в реальном времени. Еще одна группа исследователей обнаружила новые свойства, включая антиферромагнетизм, который ранее считался несовместимым с неупорядоченной структурой этих материалов.

Предшественником открытия стали мозаики Роджера Пенроуза, британского математика, которые покрывали плоскость без повторений и демонстрировали пятикратную симметрию. Именно они послужили вдохновением для атомных структур, обнаруженных Шехтманом, за что он и был удостоен Нобелевской премии по химии в 2011 году.

В промышленности квазикристаллы используются ограниченно из-за их меньшей пластичности по сравнению с металлами и меньшей хаотичности по сравнению со стеклом. Их уникальные свойства находят применение в антипригарных покрытиях, медицинских инструментах и микрометках для защиты произведений искусства от подделок.

Для объяснения устойчивости квазикристаллов, группа Суна использовала метод функционала плотности (DFT), позволяющий анализировать свойства материалов на основе распределения электронов. Из-за отсутствия повторяющихся ячеек, они использовали подход “нанолопатки”, анализируя случайные фрагменты, состоящие из сотен атомов. Эти вычисления потребовали огромных вычислительных мощностей, включая экзафлопсные суперкомпьютеры.

Результаты подтвердили стабильность квазикристаллов, показав, что они не являются временной аномалией, а представляют собой устойчивые структуры.

Группа Бреннана Спринкла из Школы рудников Колорадо предложила новый метод синтеза, используя магнитные микрочастицы Dynabeads, управляемые полями. Квазикристаллы росли на глазах, напоминая трехмерные снежинки. По словам химика Чэда Миркина, это первый эксперимент, позволяющий наблюдать за формированием квазикристаллов в реальном времени.

Японские ученые добавили еще один неожиданный факт, обнаружив антиферромагнетизм в квазикристаллах, свойство, которое ранее считалось невозможным в таких структурах.

Все эти открытия вновь привлекли внимание к области, объединяющей математику, физику, химию и искусство. Как отметил Вэньхао Сун, квазикристаллы – это “утконос среди материалов”, сочетающий в себе свойства кристаллов и аморфных тел, что и делает их такими уникальными.