Квазикристаллы — самая странная материя во Вселенной. Физики наконец поняли, почему они могут существовать

Представьте себе мир атомов. В нём, как правило, царит строгая дисциплина. Атомы либо выстраиваются в идеальные, бесконечно повторяющиеся решётки, как солдаты на параде — это кристаллы. Алмаз, соль, снежинка — всё это примеры безупречного порядка. Либо они пребывают в полном хаосе, словно толпа на вокзале — это аморфные тела, вроде обычного оконного стекла. Порядок или беспорядок. Третьего, казалось бы, не дано.

Но что, если существует нечто среднее? Материал, который одновременно упорядочен, но при этом никогда не повторяется? Долгое время сама идея казалась абсурдной, пока в 1982 году учёный Дан Шехтман не обнаружил именно такую структуру, за которую позже получил Нобелевскую премию. Так мир узнал о квазикристаллах — самой странной и загадочной форме твёрдого вещества.

И главной загадкой было: как они вообще могут быть стабильными?

Между молотом и наковальней: три судьбы атомов

Чтобы понять всю странность квазикристаллов, давайте разберёмся с их «соседями».

• Кристаллы — это образец стабильности. Их структура похожа на идеально уложенный паркет, где каждая дощечка одинакова и узор повторяется до бесконечности. С точки зрения физики, такая конфигурация обладает минимальной энергией. Атомы нашли своё самое удобное, «спокойное» место, и чтобы их сдвинуть, нужно приложить немало сил.
• Стекло (и другие аморфные тела) — полная противоположность. Это скорее похоже на кучу того же паркета, беспорядочно сброшенную на пол. Структура застыла в случайном положении. Она кажется твёрдой, но на самом деле находится в метастабильном состоянии. Это значит, что система не нашла свой энергетический минимум. Дайте ей достаточно времени (тысячи лет) или немного энергии (нагрев), и атомы начнут перестраиваться, стремясь стать полноценным кристаллом.

Квазикристаллы же ломали эту простую логику. В них есть строгий порядок, но при этом отсутствует повторяемость — словно мозаика, узор которой никогда не дублируется. Такая структура называется апериодической. Из-за этой «неправильности» физики долгое время интуитивно причисляли их к метастабильным чудакам, как и стекло. Казалось очевидным, что такая сложная и не повторяющаяся структура не может быть энергетически выгодной.

Как же они ошибались.

Энергия — всему голова

Ключ к разгадке, как это часто бывает в физике, лежал в понятии энергии. Природа ленива и всегда стремится к состоянию с наименьшими энергетическими затратами. Мяч всегда катится вниз, а не вверх. Горячий чай остывает, отдавая энергию в окружающую среду. Точно так же и атомы, соединяясь, ищут такую конфигурацию, которая потребует минимум энергии для своего поддержания.

Команда учёных из Мичиганского университета под руководством Вэньхао Суня решила проверить старую интуицию с помощью самого мощного инструмента современности — компьютерного моделирования. Но не простого. Дело в том, что стандартные программы для расчёта атомных структур «заточены» под поиск периодичности. Они отлично работают с кристаллами, но перед апериодической мозаикой квазикристалла просто пасуют.

Исследователи применили инновационный вычислительный метод, который позволил им обойти это ограничение. Они создали в виртуальном пространстве наночастицы двух известных квазикристаллов (на основе скандия-цинка и иттербия-кадмия) и скрупулёзно просчитали их суммарную энергию. Затем они сравнили её с энергией, которую те же атомы имели бы, если бы выстроились в «правильную» кристаллическую решётку.

Результат оказался ошеломляющим. Вопреки всем ожиданиям, именно квазикристаллическая, «неправильная» структура для этих комбинаций атомов оказалась самой энергетически выгодной. Мяч уже лежал на дне своей собственной, уникальной ложбины. Квазикристаллы не просто «терпимы» природой — для некоторых веществ они являются самой стабильной и предпочтительной формой существования.

Что дальше? От загадки природы к суперматериалам

Это открытие не просто закрывает давний научный спор. Оно открывает совершенно новые горизонты. Во-первых, оно объясняет, почему квазикристаллы так редки в природе и так сложны в лабораторном синтезе. Раз они образуются лишь при очень специфическом сочетании атомов и условий, их возникновение — скорее исключение, чем правило.

Во-вторых, и это самое захватывающее, теперь мы можем целенаправленно изучать их уникальные свойства. А они поистине удивительны. Из-за своей сложной структуры квазикристаллы совершенно иначе взаимодействуют с теплом и электричеством. Они могут быть одновременно и сверхпрочными, и обладать низким коэффициентом трения, быть плохими проводниками тепла, но хорошими проводниками электричества. Это открывает дорогу к созданию материалов с невиданными ранее характеристиками: от антипригарных покрытий нового поколения до высокоэффективных термоэлектриков, способных превращать бросовое тепло в полезную энергию.

Как метко заметил Питер Броммер из Уорикского университета, комментируя работу коллег: «Возможно, следующий суперматериал будет открыт не в лаборатории, а на компьютере». История с квазикристаллами — яркое тому подтверждение. Мы вступаем в эру, когда самые смелые идеи о строении материи можно проверить в виртуальном мире, чтобы затем воплотить их в реальности. И кто знает, какие ещё «неправильные» чудеса скрывает от нас природа, ожидая, пока мы догадаемся задать ей верный вопрос.