ВСЕГЕИ
+7 (812) 321 5706 vsegei@vsegei.ru
Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского
Институт
Новости

История и уроки «нобелевского» открытия квазикристаллов


В давние и незабвенные времена прошлого века случилось мне присутствовать в Физтехе им. А.Ф. Иоффе на заседании, посвященном юбилею выдающегося советского физика Евгения Федоровича Гросса. В своем докладе Евгений Федорович в частности упомянул о том, что в период своей научной юности он, испытывая, может быть излишнее почтение к авторитетам, затянул с публикацией необычных научных результатов, и «не принес России две нобелевских премии, которые теперь носят имена западных ученых – Рамана и Зеемана». Обращаясь к аудитории, состоящей главным образом из молодых людей, «отец Экситона» призвал присутствующих не робеть перед авторитетами и дерзать в науке, выбирая в ней «нехоженые тропы».

Об этом семинаре и напутственных словах Евгения Федоровича я невольно вспомнил, узнав из публикации в Итерфаксе (http://www.interfax.by/article/84915) о присуждении 5 октября с.г. нобелевской премии по химии 2011 года человеку, который сделал выдающееся открытие и боролся за его признание, не взирая на авторитеты, практически 30 лет. Речь здесь идет об израильском ученом Даниэле Шехтмане, открывшим квазикристаллы. Его открытие было настолько революционным, что даже сам ученый не мог в него поверить.

«Такое явление невозможно», – записал Д. Шехтман в своем рабочем журнале в 1982 году по завершении своего эксперимента. При исследовании методами электронной дифракции подвергнутого сверхбыстрому охлаждению сплава алюминия с марганцем он установил, что сплав обладает парадоксальной с точки зрения классической науки структурой. Полученная им 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.

 
Картина дифракции электронов на квазикристалле

Однако после того как ученый многократно перепроверил свои результаты он утвердился в своем открытии, отстаивал его в течение почти 30 лет и победил. Вот несколько эпизодов борьбы ученого за его «детище».

Сенсационные результаты работы не были восприняты коллегами учёного – Дэниеля Шехтмана изгнали из лаборатории Американского национального института стандартов и технологии (NIST), а его статья, направленная в Journal of Applied Physics, не была принята к публикации.

Опубликовать результаты удалось только в ноябре 1984 г. после того, когда эксперимент Д. Шехтмана повторили физик Джон Кэн и французский кристаллограф Дени Гратиас. Статья «Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry, посвященная этому открытию, вышла в журнале Phys. Rev. Letters.

Несмотря на это ученые в течение долгого времени подверглись критике со стороны научного сообщества. Одним из самых активных противников Д. Шехтмана был двукратный нобелевский лауреат Лайнус Полинг.

Только в 1992 году Международный союз кристаллографов внес изменения в определение термина «кристалл», которое, благодаря Д. Шехтману, стало более широким.

Сейчас Даниэль Шехтман – почетный профессор Израильского технологического института в Хайфе, а также профессор Университета штата Айова (США).

«Открытие профессора Шехтмана открыло ученым новые горизонты в области строения вещества и произвело революцию в изучении строения кристаллов, наших взглядах на возможное расположение атомов и молекул в них. Можно сказать, что это стало новой парадигмой в химии. Традиционно ученые были уверены, что атомы в кристаллах располагаются в периодическом порядке, однако это не всегда так. Профессор Шехтман с помощью микроскопических исследований показал, что трансляционная симметрия не всегда соблюдается. Его работы подвергались большой критике, но благодаря высокому качеству экспериментов и полученных данных все вопросы были исчерпаны. Таким образом, традиционные представления о кристаллах были изменены. Сейчас десятки групп по всему миру изучают уникальные свойства квазикристаллов, интересные как для фундаментальной, так и для прикладной науки», – заключил представитель Нобелевского комитета после объявления фамилии победителя.

Теория квазикристаллов, как ни странно, была разработана задолго до их открытия. «Квазикристаллические» орнаменты известны в средневековых мечетях Ирана. Европейские математики придумали такое мощение на полтысячелетия позже – в 1976 году Роджер Пенроуз предложил «квазикристаллическое» мощение, получившее название «мозаики Пенроуза».

 
Мозаика Пенроуза//Wikipedia

Здесь «плитки» образуют упорядоченную непериодическую структуру с помощью вращения (и снова можно заметить наличие некристаллографической оси симметрии пятого порядка - пятиугольники и «звездочки» снова образуют пятиугольники).

Заслуга Д. Шехтмана в том, что он перевел эти модели в мир реальных объектов. С тех пор уже найдены и изучены сотни квазикристаллов - не только металлических сплавов, но и некоторых полимеров.

В 2009 году ученые обнаружили первый природный квазикристалл в минералах с Дальнего Востока России. Естественные квазикристаллы достигали размеров до 200 микрон. Они состоят из атомов железа, меди и алюминия и имеют сложную структуру, с несколькими (до шести штук) осями пятого порядка. Квазикристаллы были найдены в ассоциации со шпинелью, авгитом и хризолитом внутри редкого минерала хатыркита, который до сих пор встречался ученым лишь в одном месте – в триасовых вулканических породах из района Лиственитового ручья на российском Корякском нагорье.

Несмотря на интереснейшие свойства квазикристаллов, их практическое применение, скорее, задача будущих исследований. Сегодня предполагаются три основные области их применения - создание покрытий (уже зарегистрировано два патента), добавки квазикристаллических наночастиц в сплавы, а также хранение водорода.

Изложенная выше история замечательного открытия Даниэля Шехтмана является ярким примером самозабвенного служения науке, веры ученого в собственные силы и несомненного мужества в отстаивании своих идей.

П.Л. Смолянский, Отдел перспективного развития, ИВЦ ВСЕГЕИ

Источники: http://www.interfax.by/article/84915
http://readers.lenta.ru/articles/2011/10/05/chemistry/  
http://www.gazeta.ru/science/2011/10/05_a_3790714.shtml
http://www.popmech.ru/blogs/post/306-kvazikristallyi

Интересную популярную статью о квазикристаллах можно прочитать здесь: (http://www.goldenmuseum.com/1603QuasiCrystals_rus.html )

12.10.2011

Возврат к списку


Яндекс.Метрика