Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Вернемся к открытию Шехтмана. Прежде он никогда не видел подобную картину и сразу понял, что она противоречит законам науки о кристаллах – кристаллографии. Озадаченный, Шехтман вышел в коридор, чтобы поделиться с кем-нибудь этим странным наблюдением. Коридор был пуст, и, вернувшись в лабораторию, он снова стал рассматривать своеобразный узор из светящихся точек.

С момента зарождением кристаллографии в 1912 г., когда впервые рентгеновы лучи были направлены на кристалл, и до 1982 г. (т. е. в течение 70 лет) было исследовано свыше четверти миллиона кристаллов. Эта область науки опирались на основной принцип: атомы в кристаллических телах – металлах, солях, минералах – расположены в строго периодическом порядке, который повторяется во всем объеме кристалла. Но из объемного тела, содержащего десятиугольник, невозможно создать периодический фрагмент, заполняющий неограниченное пространство, так же как невозможно плотно (без промежутков или нахлеста) укрыть поверхность десятиугольной плиткой.

Десять точек, которые увидел Шехтман, – это только часть объемной картины. Проведя через некоторое время съемки образца под различными углами и дополнив это стандартной математической обработкой, он сумел определить, как расположены атомы в кристалле. Оказалось, что они разместились в вершинах икосаэдра – многогранника, собранного из 20 правильных треугольников. Рассматривая это тело со стороны одной из вершин, мы увидим два взаимопересекающихся пятиугольника, т. е. десятиугольник (рис. 5.64 и 5.65).

Шехтман знал, что невозможно заполнить пространство икосаэдрами так, чтобы они плотно примыкали друг к другу: обязательно возникнут пустоты, чего в кристаллических телах не бывает. Таким образом, удивление Шехтмана только усилилось.

Итак, он получил отчетливую дифракционную картину из ярких точек. Если бы материал был не кристаллическим, а аморфным, например стекло, то вместо четких точек на экране было бы размытое беловатое пятно. Набор фиксированных точек означает, что перед нами кристалл, следовательно, присутствует внутренний порядок. Но из икосаэдров невозможно построить периодически повторяющийся фрагмент, заполняющий пространство. Следовательно, возможно существование непериодических кристаллов – именно такой вывод сделал Шехтман. Некоторое время он никому не рассказывал о своем открытии, опасаясь иронических замечаний, поскольку это полностью противоречило основам кристаллографии, но в дальнейшем избежать насмешек и резкой критики все же не удалось.

Вернувшись на основное место работы, Шехтман стал рассказывать об открытии буквально всем, кто готов был его выслушать. Многие говорили, что это просто эффект «двойниковых» кристаллов, которые создают столь необычную картину, однако Шехтман, проведя серию экспериментов, полностью отверг такое объяснение. Непрерывная критика со стороны коллег вынуждала его вновь и вновь повторять опыты, и его понимание собственной правоты все более укреплялось.

Однажды руководитель отдела, где работал Шехтман, принес ему учебник по кристаллографии и сказал: «Прочтите, что здесь написано!» Шехтман ответил, что учит по этому учебнику студентов и отлично понимает, что результаты его экспериментов противоречат тому, что здесь сказано. В итоге руководитель попросил Шехтмана покинуть отдел, дабы избежать позора. В результате Шехтман перешел в другой отдел и стал продолжать исследования, однако никто из его окружения не занимался дифракцией электронов, и результаты его работы не вызывали у коллег никакого интереса.

Лишь в конце 1983 г. появился человек, проявивший интерес к открытию, – профессор Илан Блех с факультета материаловедения. Он подключился к работе и разработал пространственную модель, описывающую строение подобных кристаллов. Результаты они направили для публикации в один из научных журналов, статья была отвергнута редактором (о чем тот позже глубоко сожалел).

В 1984 г. Шехтман по приглашению своего прежнего коллеги Джона Кана вернулся на работу в лабораторию Национального бюро стандартов США, именно туда, где он впервые наблюдал необычную дифракционную картину. Авторитетный физик Джон Канн поддержал исследования, кроме того, к работе был привлечен высококвалифицированный французский кристаллограф Денис Гратиас. В результате они направили в самый авторитетный физический журнал Physical Review Letters статью, которая в ноябре 1984 г. и была опубликована.

Статья вызвала сенсацию и одновременно недоверие. Для того чтобы каждый исследователь мог сам наблюдать необычное явление, Шехтман многократно описывал методику приготовления образца и условия съемки. Очень скоро начали поступать сообщения из разных стран мира, подтверждающие результаты эксперимента.