Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества

Важным следствием стало то, что теперь мы точно знали: икосаэдрит из Хатырки, первый когда-либо обнаруженный природный квазикристалл, образовался до столкновения. Это согласовывалось с теорией Гленна о том, что он может датироваться эпохой возникновения Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад, и опровергало идею Линкольна о том, что он образовался после столкновения.

С моей точки зрения, обнаружение i-phase II было самым значительным открытием на тот момент по другой причине. Я надеялся на нечто подобное еще с 1984 года, когда мы с моим учеником Довом Левином впервые опубликовали наше теоретическое доказательство. Именно тогда я впервые стал носиться с идеей поиска природного квазикристалла, изучая витрины в известных минералогических музеях.

У меня всегда была двойная цель. Во-первых, я хотел доказать, что квазикристаллы достаточно устойчивы, чтобы, как я давно подозревал, образовываться в природе. Во-вторых, я пытался понять, может ли обнаружение природного квазикристалла открыть дорогу к поиску ранее неизвестных типов квазикристаллов.

С открытием i-phase II моя мечта сбылась. Для меня он важнее любых других найденных нами природных квазикристаллов, поскольку он стал первым обнаруженным в природе до того, как был синтезирован в лаборатории.

В том, что касается исследования уникальных свойств и потенциальных применений квазикристаллов, ученые едва прикоснулись к вершине айсберга. За последние три десятилетия в лабораториях синтезировано более сотни квазикристаллов различного состава. Однако большинство из них химически близки к исходным квазикристаллам, открытым Дэном Шехтманом и Ан-Пан Цаем.

Недостаток разнообразия связан с тем, что не существует теоретических подсказок, позволяющих определить, какие именно комбинации атомов и молекул способны образовать эту уникальную и удивительную форму вещества. Поиск новых примеров обычно осуществляется методом проб и ошибок. Самый простой подход, используемый многими учеными, – внести небольшое изменение в химический состав синтетического квазикристалла, о существовании которого уже известно.

Но это накладывает свои ограничения. Для тех, кто хочет найти квазикристаллы с более интересными свойствами – как с практической, так и с научной точки зрения, – повысить шансы на успех может исследование того, что природа создала сама, без вмешательства человека. С этой целью мы с Полом Азимовым планируем сейчас новые эксперименты с пушкой. Эксперименты с новыми методами изготовления открывают еще один путь для продвижения науки вперед.

Несмотря на все наши успехи, в отношении Хатырки остается один очень серьезный вопрос, на который все еще нет ответа и который продолжает меня интриговать.

За счет какого-то загадочного процесса природе удалось сформировать квазикристаллы с металлическим алюминием, находящиеся в прямом контакте с неметаллическими минералами, богатыми кислородом, несмотря на то что алюминий имеет ненасытное сродство к кислороду. По причинам, которые мы пока не способны объяснить, алюминий в наших природных квазикристаллах не реагировал с кислородом в силикате. Обычно химических сил достаточно, чтобы вызвать реакцию между кислородом и алюминием с образованием корунда, чрезвычайно твердой версии оксида алюминия. Если бы мы сумели разобраться в этом природном процессе, то могли бы научиться новому, более эффективному способу создания как обычных кристаллов, так и металлических квазикристаллов, содержащих алюминий.

Фотонные кристаллы

Но есть ли основания полагать, что хоть какой-то квазикристалл может обладать новыми и полезными свойствами для науки и промышленности?

Да. Мы можем моделировать квазикристаллы на компьютере или создавать на 3D-принтере модели, вроде изображенной справа. Этот пример был построен в 2005 году в Принстоне Вейнингом Маном и Полом Чайкином, с которыми мы сотрудничали в исследовании фотонных свойств квазикристаллов.

Исследования в области фотоники можно напрямую сопоставить с электроникой. Электроника касается прохождения электронов через материалы. Фотоника рассматривает прохождение через материалы световых волн. Если бы мы могли заменить электронные схемы на фотонные, скорость передачи увеличилась бы, а потери тепла из-за сопротивления уменьшились бы. Одна из основных задач – найти способ использовать фотонику для воспроизведения полупроводниковых эффектов, подобных тем, что наблюдаются в кремнии, германии и арсениде галлия. Из этих материалов делают транзисторы и другие электронные компоненты, используемые для усиления и передачи сигналов в компьютерах, сотовых телефонах, радиоприемниках и телевизорах.