КВАЗИКРИСТАЛЛ

Квазикристалл

Введение
• 1 История
• 2 Структура
• 3 Металлургия
• 4 Свойства

Примечания Литература

Квазикристалл — одна из форм организации структуры твёрдых тел, наряду с кристаллами и аморфными телами (стёклами), характеризующаяся осью симметрии, запрещенной в классической кристаллографии и наличием дальнего порядка.

1. История

Предсказания о существовании икосаэдрической структуры в квазикристаллах были сделаны в 1981 году Кляйнертом и Маки[1].

Квазикристаллы были открыты в 1984 году Шехтманом (D. Shechtman), Блехом (I. Blech), Гратиасом (D. Gratias) и Каном (J. Cahn) в экспериментах по дифракции электронов на быстроохлаждённом сплаве Al6Mn (см. «Physical Review Letters», Vol. 53, 1984, p. 1951—1954).

Полученная картина дифракции содержала типичные для кристаллов резкие (Брэгговские) пики, но при этом в целом имела точечную симметрию икосаэдра, то есть, в частности, обладала осью симметрии пятого порядка, невозможной в трёхмерной периодической решётке.

Однако вскоре более тонкие эксперименты доказали, что симметрия квазикристаллов присутствует на всех масштабах, вплоть до атомного, и необычные вещества действительно являются новой формой организации материи.

Позднее выяснилось, что с квазикристаллами физики сталкивались задолго до их официального открытия, в частности, при изучении дифракции Дебая-Шерера на зёрнах интерметаллидов в алюминиевых сплавах в 1940-х годах. Однако в то время икосаэдрические квазикристаллы были ошибочно идентифицированы, как кубические кристаллы с большой постоянной решетки.

В настоящее время известны сотни видов квазикристаллов, имеющих точечную симметрию икосаэдра, а также десяти-, восьми- и двенадцатиугольника.

2. Структура

• Детерминистические и энтропийно-стабилизированные квазикристаллы

Существует две гипотезы о том, почему квазикристаллы являются (мета-)стабильными фазами.

Согласно одной гипотезе, стабильность вызвана тем, что внутренняя энергия квазикристаллов минимальна по сравнению с другими фазами, как следствие, квазикристаллы должны быть стабильны и при температуре абсолютного нуля.

При этом подходе имеет смысл говорить об определённых положениях атомов в идеальной квазикристаллической структуре, то есть мы имеем дело с детерминистическим квазикристаллом. Другая гипотеза предполагает определяющим вклад энтропии в стабильность.

Энтропийно стабилизированные квазикристаллы при низких температурах принципиально нестабильны. Сейчас нет оснований считать, что реальные квазикристаллы стабилизируются исключительно за счёт энтропии.

Детерминистическое описание структуры квазикристаллов требует указать положение каждого атома, при этом соответствующая модель структуры должна воспроизводить экспериментально наблюдаемую картину дифракции.

Общепринятый способ описания таких структур использует тот факт, что точечная симметрия, запрещённая для кристаллической решетки в трёхмерном пространстве, может быть разрешена в пространстве большей размерности D.

Согласно таким моделям структуры, атомы в квазикристалле находятся в местах пересечения некоторого (симметричного) трёхмерного подпространства RD (называемого физическим подпространством) с периодически расположенными многообразиями с краем размерности D-3, трансверсальными физическому подпространству.

Квазикристаллы Это новый класс твердых тел, полученный при поиске новых материалов в программе СОИ (стратегическая оборонная инициатива США). Экспериментаторам удалось попасть в очень узкую «температурную щель» и получить материалы с необычными новыми свойствами.

Квазикристаллы обладают парадоксальной с точки зрения классической кристаллографии структурой, предсказанной из теоретических соображений (мозаики Пенроуза).

Теория мозаик Пенроуза позволила отойти от привычных представлений о федоровских кристаллографических группах (основанных на периодических заполнениях пространства).

3. Металлургия

Получение квазикристаллов затрудняется тем, что все они либо метастабильны, либо образуются из расплава, состав которого отличается от состава твёрдой фазы (перитектика)…

4. Свойства

• Механические свойства
• Электронная структура

Примечания

1. Kleinert H., Maki K. (1981). «Lattice Textures in Cholesteric Liquid Crystals — www.physik.fu-berlin.de/~kleinert/75/75.pdf». Fortschritte der Physik29: 219-259..

Литература

• A. P. Tsai «Topical review — Icosahedral clusters, icosaheral order and stability of quasicrystals — a view of metallurgy» Sci. Technol. Adv. Mater. 9 No 1 (2008) 013008 скачать бесплатно — dx.doi.org/10.1088/1468-6996/9/1/013008
• Ю. Х. Векилов, М. А. Черников Квазикристаллы — dx.doi.org/10.3367/UFNr.0180.201006a.0561   // УФН. — 2010. — Т. 180. — С. 561—586.

скачать
Данный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии. Синхронизация выполнена 14.07.11 15:16:21
Категории: Физика твёрдого тела, Кристаллография.
Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareA.

Невозможное возможно: метеоритные квазикристаллы

Структура пространства расширяет границы, позволяя находить ранее невиданное

Уже два раза Нобелевскую премию дают за вещества, которых не должно быть. Первый раз это был графен*, в который никто не верил, второй раз — квазикристаллы, которые, по классической теории, вообще не могут существовать.

Не могут, но упорно существуют.

Квазикристаллы имеют схожую область применения, плюс обладают двумя важными свойствами — во-первых, способны укреплять композитные материалы (например, для получения сверхпрочных сталей — иголки для операций по глазам), а, во-вторых, при охлаждении квазикристалл становится изолятором, а при нагреве — проводником. Естественно, большие перспективы в LED-технологиях и вообще во всём, что начинается на «нано» в хорошем смыле этого слова.

На прошлой неделе в Digital October прошла лекция Пола Стейнхардта — учёного, который съездил на Чукотку в поисках естественных квазикиристаллов и прошел целую детективную историю, чтобы получить образцы. Но начнём сначала.

Что такое квазикристалл?

По сути — это сложно «упакованное» вещество, обладающее регулярной структурой. Отличие от обычных кристаллов в том, что эта структура не должна существовать по целому списку причин.

Было уже доказано, что возможна симметрия второго, третьего, четвертого и шестого порядка, а для других случаев, она в общем-то, невозможна. Во всяком случае, так считали раньше. Для примера — привычная структура кристаллической решетки углерода даёт алмаз.

Гексагональная структура даёт графит, который отличается другими свойствами.

С другой стороны, невозможно, например, правильными пятиугольниками замостить какую-то плоскость, точно так же это считалось невозможным и для десятиугольников. Правда, в 1982 году Шехтман (который в 2011 получил Нобелевскую премию по химии) показал, что предыдущие представления были неправильные.

Как получается упаковать вещество так плотно?

Использованием различных структур. Грубо говоря, это не только пятиугольники, но и другие формы, которые встречаются с разной частотой.

И соотношение между этими частотами не является рациональным числом, то есть его нельзя описать как взаимоотношение двух целых чисел.

С 1984 года было получено в лабораториях более 100 различных квазикристаллов, но считалось, что в природе образование таких веществ просто невозможно, поскольку структура крайне нестабильна. А теперь самое весёлое — Стейнхардт нашел именно природный образец.

Где он его нашел?

В одном местном русском музее за пределами основного каталога. Образец «хатыркит» был найден на берегу реки Хатырки, в автономном округе Чукотка на Корякском нагорье.

И вот с этим кусочком мы несколько лет и пытались работать. Там уже начиналась зима 2008 года. В общем, мы разрезали имевшийся образец. Совсем тонкие срезы, как вы видите, полмикрометра. И мы рассчитывали, что мы получим доступ к хорошим спектрометрам и хорошим микроскопам.

Но нам сказали, что они уже забронированы другими исследователями на следующие три месяца. Но я смог договориться с директором рентгенографического центра в университете, и мы с ним вместе пришли в лабораторию в пять утра в Рождество.

Нам семья это не могла простить в то время, но мы понимали, что если мы не пойдем в этот день, то придется ждать еще три месяца. И меня поразило то, что мы увидели. Потому что когда мы поместили в электронный микроскоп этот образец, мы сразу увидели дифрактограмму.

Совершенно фантастическую, практически идеальную дифрактограмму настоящего квазикристалла.

Как эта структура появилась внутри камня?

Пол понёс данные геофизикам, которые объяснили, что такое невозможно, потому что сплав алюминия, меди и железа должен был окислиться в естественных условиях.

У Пола появилось две теории: про образование материала на большой глубине (где кислорода не очень-то много) или в космосе (где его ещё меньше). Требовалось найти ещё образцы, чтобы убедиться в природном происхождении квазикристаллов.

Что дальше?

Дальше — полтора года поисков, детектив с поиском членов первой экспедиции, выход на одного человека из них, часы в лабораториях, подтверждение теории о метеоритном происхождении материалов — и снаряжение второй экспедиции в Анадырь, где был найден хатыркит.

Первые данные анализа показали, что мы действительно подобрали очень хорошие материалы метеоритного происхождения. Вот видите, по центру этого камня такой блестящий образец, кусочек, который полностью соответствовал и химическому составу, который мы искали, и имел дифрактограмму, соответствующую квазикристаллу.

И минерал, который мы нашли, мы назвали икосаэдритом, поскольку он имел дифрактограмму, полностью соответствующую правильной икосаэдрической решетке. Конечно, эта наша экспедиция и тот факт, что мы лично откопали все эти образцы, добавили убедительности нашим исследованиям в глазах научного сообщества.

Трудно на данном этапе решить, когда сформировался данный квазикристалл. То ли он имеет тот же возраст, что и окружающая его порода, около 4,5 миллиардов лет, то ли он сформировался… Но мы сейчас эту тему копаем.

Мы сейчас исходим из того, что возник этот квазикристалл на заре существования Солнечной системы, много миллиардов лет назад, при столкновении метеоритов. Мы предполагаем, что метеорит этот упал в бассейн Хатырки относительно недавно, может быть, порядка 10 тысяч лет назад.

Как раз во время последнего ледникового периода. Как раз тогда, когда по этому ручью спускались вниз с какими-то ледяными массами глинистые породы. Мы продолжаем свою работу, хочется надеяться, что откроем еще какие-то тайны.

Источник

Квазикристаллы

tenzorro

Квазикристаллы занимают промежуточное место между кристаллическим и аморфным состоянием. Устроены эти объекты очень необычно. Как и в обычных кристаллах, в квазикристаллах атомы располагаются упорядоченно, но этот порядок идет в разрез с общепринятыми правилами кристаллографии и подчиняется совсем другому закону – золотой пропорции.

В 1984г Шехтман (D. Shechtman), Блех (I. Blech), Гратиас (D. Gratias) и Кан (J. Cahn)  на электронограмме сверхбыстроохлажденного сплава алюминия и марганца (А10.86 Мn0.14) увидели симметрию пятого порядка (Phys.Rev. Lett. 53: 1951)Собственно, это и удивительно – такой симметрии не может быть в кристаллических телах.

Позже эксперименты подтвердили что эта «запрещенная» симметрия пятого порядка наблюдается на всех структурных уровнях. Назвали новый объект «квазикристалл» – «псевдо-кристалл». Оказалось, что атомы в квазикристалле упаковываются в икосаэдр – правильный десятигранник.

   
       Ho-Mg-Zn квазикристалл                    икосоедр собирается из 20 тетраедров

 Но дело в том, что правильными десятигранниками невозможно заполнить пространство без зазоров и перекрытий. 

Виной этому именно ось симметрии пятого порядка.

 Одними из основных операций симметрии в кристаллографии являются поворот (ротация) и параллельный перенос (трансляция).

Обычные кристаллы – это периодические структуры, в них можно выделить элементарную ячейку и получить весь кристалл путем ее параллельного переноса по трем направлением.

По этому монокристаллы растут в виде правильных многогранников и внешняя форма монокристаллов отражает геометрию элементарной ячейки: кристаллы NaCl (кубическая решетка) представляют собой кубы, кристаллы кварца SiO2 ( гексагональная решетка) –  правильные шестигранные призмы, увенчанные пирамидами.

Еще одной важной операцией симметрии является поворот вокруг определенной прямой – оси симметрии. Порядок оси указывает, сколько раз кристалл совместиться сам с собой при повороте ее на 360 градусов. Например, простая кубическая решетка (хлористый цезий CsCl), имеет три оси 4-го порядка, четыре оси 3-го порядка и шесть осей 2-го порядка.

 Трансляционная и поворотная симметрия не всегда уживаются вместе.

Для того, чтобы путем параллельного переноса покрыть объем без несогласований, необходимо, чтоб элементарная ячейка имела только оси, отвечающие поворотам на 180, 120, 90 и 60о, эти углы соответствуют осям2, 3, 4 и 6-го порядков. Оси 5, 7 и более высоких порядков запрещены. Действительно, правильными пятитиугольниками нельзя замостить плоскость без перекрытий или зазоров.
 

 Икосаэдр имеет оси симметрии 2, 3, 5-го порядков.

 
     ось 3-го порядка                       ось 5-го порядка                 ось 2-го порядка

Прототипом  кристаллического строения квазикристаллов является мозаика Пенроуза.

Роджер Пенроуз в 1974 году показал, что можно замостить плоскость без несогласований двумя видами ромбов: с острыми углами 36 и 72 градусов. Углы этих ромбов связаны с золотой пропорцией, которая алгебраически выражается уравнением х2 — х — 1 = 0 или уравнением у2 + у — 1 = 0.

Корни этих квадратных уравнений можно записать в тригонометрическом виде:
x1 = 2cos36°, x2 = 2cоs108°,
y1 = 2cos72°, y2 = cos144°.Этими ромбами можно замостить пространство многими способами, в том числе так, чтобы выполнялась «запрещенная» симметрия 5, 7-го и более высоких порядков.

                       ось 5-го порядка                                               ось 7-го порядка
   
      ось 11-го порядка                                      объемная мозаика ПенроузаТогда отношение числа широких ромбов к узким равно золотой пропорции D = (1 + √5)/2= = 1,6180339. Поскольку это число иррациональное, нельзя выделить элементарную ячейку, которая содержала бы целое число ромбов. Если узловые точки заменить атомами, мозаика Пенроуза станет хорошим аналогом двухмерного квазикристалла, так как имеет много свойств, характерных для такого состояния вещества.

Во-первых, в мозаике можно выделить правильные многоугольники, имеющие совершенно одинаковую ориентацию. Они создают дальний ориентационный порядок, названный квазипериодическим.

Во-вторых, если последовательно закрасить все ромбы со сторонами, параллельными какому-либо выбранному направлению, то они образуют серию ломаных линий.

Вдоль этих ломаных линий можно провести прямые параллельные линии, отстоящие друг от друга приблизительно на одинаковом расстоянии. Благодаря этому свойству можно говорить о некоторой трансляционной симметрии в мозаике Пенроуза. 

В-третьих последовательно закрашенные ромбы образуют пять семейств подобных параллельных линий, пересекающихся под углами, кратными 72°. Направления этих ломаных линий соответствуют направлениям сторон правильного пятиугольника. Поэтому мозаика Пенроуза имеет в какой-то степени поворотную симметрию 5-го порядка и в этом смысле подобна квазикристаллу.

Такое необычное строение приводит к тому, что квазикристалл является чем-то средним между аморфным и кристаллическим состоянием. Квазикристаллы прочные, коррозионно стойкие, но хрупкие.

Правда, при локальном нагружении квазикристаллы демонстрировать некоторую пластичность, что обуславливается фазовым переходом квазикристалл – кристаллическая фаза, происходящим при нагружении.

Электросопротивление квазикристаллов аномально велико при низких температурах и понижается с ростом температур, хотя они являются сплавами металлов. Электросопротивление металлов наоборот увеличивается при повышении температуры.

В журнале «Популярная механика» дана сравнительная характеристика свойств квазикристаллов ( в основном, механических) с другими веществами. А я вот помещу табличку со свойствами и применением квазикристаллов (КК).

|

tenzorroТак виглядає наша Земля вночі. Фото зроблені з військових американських  супутників  AMS-3 DMSP, які призначені для ведення метеорологічних досліджень.