Ένας νέος quasicrystal ταυτοποιήθηκε πριν λίγες μέρες από τους επιστήμονες. Πρόκειται για τον τρίτο quasicrystal που συναντούμε στη φύση,καθώς οι μέχρι τώρα quasicrystals είχαν συντεθεί στο εργαστήριο. Όπως συνέβη και με τους δύο άλλους quasicrystals, ο νέος αυτός ψευδο-κρύσταλλος έχει σχηματιστεί…στο διάστημα.Συγκεκριμένα,βρέθηκε στο ίδιο δείγμα του μετεωρίτη που είχε πέσει στην περιοχή Khatryka της Ρωσίας. Όμως τι είναι οι quasicrystals;
Οι quasicrystals αποτελούν ιδιαίτερες δομές στερεών υλικών. Οι δομές αυτές είναι τόσο…”ιδιαίτερες” με αποτέλεσμα να έχουμε βρει στη φύση μόνο τρεις διαφορετικούς,ώς προς τη χημική δομή, quasicrystals. Ιδιαίτερες δομές σημαίνει ότι διαφοροποιούνται από τους κλασικούς κρυστάλλους αλλά αποτελούν..κρυσταλλικά υλικά! Ας πάρουμε όμως τα πράγματα από την αρχή: Τα στερεά σώματα που βρίσκονται στη φύση μπορούν να ταξινομηθούν εν γένει σε δυο κατηγορίες ανάλογα με την τακτοποίηση των ατόμων τους: στα κρυσταλλικά και στα άμορφα υλικά. Ένας quasi-crystall ή ψευδο-κρύσταλλος στα ελληνικά, μοιάζει με αυτό που ορίζουμε ως κλασικό κρυσταλλικό στερεό. Όμως ο ψευδο-κρύσταλλος διαφέρει ως προς την επιτρεπόμενη..συμμετρία και κυρίως ως προς το γεγονός ότι δεν χαρακτηρίζεται από…περιοδικότητα.
Κρύσταλλοι και στοιχεία συμμετρίας
Η περιοδικότητα είναι μια χαρακτηριστική ιδιότητα του κλασικού κρυστάλλου. Συγκεκριμένα,σε ένα κρυσταλλικό στερεό, τα άτομα καταλαμβάνουν συγκεκριμένες θέσεις σχηματίζοντας μια γεωμετρική/μαθηματική δομή που ονομάζεται πλέγμα(=σημεία που απέχουν συγκεκριμένες αποστάσεις) και επαναλαμβάνεται στο χώρο. Η δομή αυτή χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένες διεργασίες συμμετρίας σημείου,όπως η διεργασία μετατόπισης και η διεργασία στροφής.Η διεργασία μετατόπισης αφορά την επανάληψη ενός σημείου/μοτίβου/ατόμου μετά από καθορισμένη απόσταση.Η διεργασία στροφής είναι λίγο πιο πολύπλοκη. Για να αντιληφθούμε την έννοια αυτού του είδους της συμμετρίας μπορούμε να φανταστούμε ένα τετράγωνο τραπέζι.
Εάν στρέψουμε το τραπέζι ως προς το κέντρο του κατά τυχαία γωνία,τότε οι “γωνίες” του τραπεζίου θα μετακινηθούν. Στις περιπτώσεις όπου η γωνία στροφής είναι πολλαπλάσιο των 90 μοιρών (00,900,180οκλπ) τότε το τραπέζι θα παραμείνει “αμετάβλητο”ως προς τη στροφή,δηλαδή το τραπέζι θα είναι έτσι τοποθετημένο όπως πριν το γυρίσουμε. Τότε οι στροφές αυτές αποτελούν διεργασίες συμμετρίας στροφής.
Σε έναν κρύσταλλο οι επιτρεπτές γωνίες στροφής,δηλαδή αυτές που διατηρούν τη συμμετρία στροφής και μετατόπισης του πλέγματος είναι συγκεκριμένες.Ειδικότερα, οι επιτρεπτές γωνίες σύμφωνα με το θεώρημα των Schönflies & Fyodorov είναι οι : 1800,1200,900,600 . Οι γωνίες αυτές ονομάζονται άξονες 2ης,3ης,4ης,6ης. τάξης αντίστοιχα. Οι άξονες συμμετρίας μπορούν να εκτιμηθούν εξετάζοντας ένα δείγμα ενός στερεού με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Λόγω της περιοδικότητας της δομής,με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μπορεί κανείς να δει δυσδιάστες εικόνες (πρότυπα περίθλασης) στις οποίες διακρίνονται καλά ορισμένες και επαναλαμβανόμενες κηλίδες.Οι κηλίδες αυτές αντιστοιχούν στις θέσεις του πλέγματος πάνω στις οποίες βρίσκονται σειρές ατόμων.
Quasicrystals: από τον χλευασμό στο… βραβείο Nobel
Σε έναν quasicrystal οι επιστήμονες παρατηρούν μεν πρότυπα περίθλασης με καλά ορισμένες κηλίδες,αλλά υπάρχουν άλλοι άξονες συμμετρίας!Ειδικότερα,παρατηρούν την πενταγωνική συμμετρία και πολλαπλάσια της (άξονες 10ης και 20ης συμμετρίας).Επιπλέον απουσιάζει η περιοδικότητα. Ο λόγος είναι απλός:δεν μπορείς να σχηματίσεις μια ενιαία δομή χωρίς κενά τοποθετώντας επαναλαμβανόμενα πεντάεδρα,δεκάεδρα και εικοσάεδρα. Με άλλα λόγια δεν μπορείς να καλύψεις όλο το πάτωμα του σπιτιού σου με πλακάκια σε σχήμα πενταγώνου.Εκτός και αν…τοποθετήσεις δυο είδη πεντάγωνων διαφορετικού μεγέθους.
Η ύπαρξη υλικών με τέτοιες συμμετρίες ήταν τόσο παράδοξο τις προηγούμενες δεκαετίες, οδηγώντας στο χλευασμό του Dan Shechtman. Ο Dan Shechtman ήταν ο πρώτος επιστήμονας που ισχυρίστηκε ότι παρατήρησε συμμετρία 10ης τάξης.Η παρατήρηση αυτή έγινε μέσω εικόνων περίθλασης που πήρε με την ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευση.Το δείγμα που μελετούσε τότε είχε παρασκευαστεί στο εργαστήριο.Η δυσπιστία της επιστημονικής κοινότητας απέναντι στην παρατήρηση του ήταν τέτοια, που το άρθρο του σχετικά με τους quasicrystals απορρίφθηκε δύο φορές.Επιπλέον, αναγκάστηκε να φύγει από την ερευνητική ομάδα στην οποία ήταν συμμετείχε. Μάλιστα, ο Linus Pauling είχε δηλώσει “Ο Dan Shechtman λέει ασυναρτησίες. Δεν υπάρχουν ψευδο-κρύσταλλοι,μόνο ψευδο-επιστήμονες”. Ο Shechtman όμως δεν το έβαλε κάτω.Η απάντηση του στον Pauling αλλά και σε όλους τους κατακριτές του άργησε,αλλά ήρθε αρκετά χρόνια αργότερα.Συγκεκριμένα, ο Shechtman όχι μόνο κατάφερε να δημοσιεύσει την έρευνά του το 1984, αλλά τιμήθηκε και με το Βραβείου Nobel Χημείας το 2011 !
Ανακάλυψη φυσικών quasicrystals
Οι quasicrystals λοιπόν υπάρχουν και αποτελούν κρυστάλλους με μη προβλεπόμενες συμμετρίες και απουσία περιοδικότητας..Μέχρι σήμερα έχουν αναπτυχθεί πολλά είδη quasicrystals από διάφορους επιστήμονες,αλλά δεν έχουν βρεθεί τέτοιου είδους δομές στη Γη.Παρόλα αυτά οι επιστήμονες θεωρούν ότι είναι πιθανό να υπάρχουν και στον πλανήτη μας,αλλά η ανάπτυξη τους προϋποθέτει ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας.
Τέτοιες συνθήκες όμως μπορούν να υπάρξουν σε ουράνια σώματα και έτσι μόλις το 2009 έγινε η πρώτη παρατήρηση “φυσικών” quasicrystals. Ειδικότερα από δείγμα μετεωρίτη που προσέπεσε στην περιοχή του ποταμού Khatyrka της Ρωσίας, ήρθε στο φως ο πρώτος φυσικός quasicrystal. Ο ψευδο-κρύσταλλος αυτός διακρινόταν από 20ης τάξης συμμετρίας και γι’ αυτό ονομάστηκε εικοσαεδρίτης (icosahedrite). Το 2015 δείγμα από τον ίδιο μετεωρίτη αποκάλυψε την ύπαρξη quasicrystal με 10ης τάξης συμμετρίας.Το δείγμα αυτό περιείχε άτομα από αλουμίνιο,σίδηρο και νικέλιο. Πριν λίγες μέρες ανακοινώθηκε και νέος φυσικός ψευδο-κρύσταλλος που ταυτοποιήθηκε πάλι από δείγμα του ίδιου μετεωρίτη. Ο τρίτος αυτός quasicrystal έχει διαφορετική χημική σύνθεση σε σχέση με τους προηγούμενους καθώς αποτελείται από άτομα αλουμινίου,χαλκού και σιδήρου.
Η σημασία των quasicrystals είναι μεγάλη για την επιστήμη των υλικών καθώς και για την τεχνολογία λόγω των οριζόντων που ανοίγουν. Είναι χαρακτηριστικό ότι πάρα το γεγονός ότι οι quasicrystals αποτελούνται κυρίως από μεταλλικά άτομα, εμφανίζουν πολύ μικρές τιμές θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Έτσι μπορούν να αξιοποιηθούν σε εφαρμογές αιχμής που απαιτούνται ανθεκτικά μονωτικά υλικά. Τέλος, εκτός από την εμπορική τους αξιοποίηση, οι quasicrystals παρουσιάζουν ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον.Κι αυτό διότι καταδεικνύουν τη δύναμη της γεωμετρίας,των επιπτώσεών της στις ιδιότητες ενός υλικού, καθώς και τη διεύρυνση των γνώσεων μας σε κόσμους πέρα από την αυστηρά εδραιωμένη θεωρία.
