Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества

Полинг предположил, что все открытые аномальные сплавы представляют собой сложные примеры кристаллов с множественным двойникованием, – то есть примерно то же, что первоначально предположили ведущие ученые Национального бюро стандартов. Однако Полинг имел в виду совсем другую и очень конкретную организацию атомов, которая, по его словам, может объяснить дифракционную картину.

Если Полинг был прав, то в новых материалах не было ровным счетом ничего заслуживающего внимания. Вся наша работа канула бы в забвение как любопытный эпизод из истории науки. Для работающих в сфере материаловедения и химии, подобно Дэну Шехтману и его коллегам, возражения Полинга были пугающими и воспринимались как серьезная угроза. На протяжении всей своей карьеры Полинг ставил под вопрос общепринятые суждения и добивался успеха. Это был не тот человек, которого хотелось иметь в качестве интеллектуального соперника.

Я, однако, не разделял этих опасений по одной простой причине. Альтернативная идея Полинга никогда не казалась мне правдоподобной. Хотя бы потому, что модель Полинга с множественным двойникованием для икосаэдрического сплава Al₆Mn была намного сложнее нашего квазикристаллического объяснения. А когда дело касается науки, лучшим обычно оказывается простейшее объяснение.

Мы с Джошем Соколаром установили, что квазикристаллическая картина требует четырех разных строительных блоков (показанных внизу на иллюстрации со страницы 113, а также на обложке), каждый из которых состоит из десятков атомов, и эти блоки должны быть организованы в квазипериодическую последовательность. Полинг считал, что материал, напротив, состоит из множества сросшихся друг с другом кристаллов, ориентированных под разными углами, – то была вариация идеи множественного двойникования, которую Джон Кан первоначально обсуждал с Дэном Шехтманом. Согласно теории Полинга, повторяющиеся строительные блоки в каждом кристалле содержат более чем по восемьсот атомов каждый. Сказать, что это было намного сложнее нашей теории, – это ничего не сказать.

В действительности, когда Полинг выступил со своими идеями, я был куда больше озабочен другой конкурирующей идеей, которая стала завоевывать известность примерно в то же время. Речь идет о модели икосаэдрического стекла – теории, разработанной Питером Стефенсом из Университета Стоуни-Брук и Аланом Голдманом из Брукхейвенской национальной лаборатории. Это была значительно усовершенствованная версия модели Шехтмана – Блеха.

Новая модель икосаэдрического стекла предполагала атомную структуру, состоящую из кластеров икосаэдрической формы, беспорядочно разбросанных в пространстве. Эта особенность объясняла слово “стекло” в названии теории, поскольку термин “стекло” относится к материалам со случайным расположением атомов. В этой модели вершины всех кластеров икосаэдрической формы были выровнены так, чтобы указывать на одни и те же направления в пространстве. Это похоже на модель Шехтмана – Блеха с одним важным усовершенствованием. Стефенс и Голдман добавили объяснение, как соединять кластеры друг с другом таким способом, чтобы между ними оставалось намного меньше зазоров и щелей.

Эти две модели – икосаэдрическое стекло и нашу квазикристаллическую теорию – принципиально можно было различить по четкости и выравниванию пятен, предсказываемых на дифракционной картине. Идеальный квазикристалл дает рисунок из компактных точек, расположенных вдоль пересекающихся прямых линий. Для икосаэдрического стекла предсказывался очень похожий дифракционный узор, только вот пятна были размытыми и не идеально выровненными.

К сожалению, исходные данные были неоднозначными из-за особенностей исследуемого материала. Если не вдаваться в детали, то оригинальный алюмомарганцевый образец Шехтмана был не очень высокого качества. В нем изначально не все было безупречно. Группы, которые пытались независимо воспроизвести этот образец, сталкивались с теми же трудностями.

Проблема с четкостью и расположением дифракционных пятен, наблюдавшаяся для оригинального образца, не была сразу очевидна из опубликованных фотографий. Такие снимки обычно оказываются переэкспонированными, что скрывает недостатки. Однако этот момент стал совершенно явным на более точных рентгеновских дифракционных картинах, полученных позднее Полом Хейни и Питером Бэнселом в пенсильванской лаборатории по изучению строения вещества.

Их рентгеновская дифракционная лаборатория располагалась буквально через дорогу от корпуса Пенсильванского университета, где находился мой кабинет, так что я мог ознакомиться с результатами тестов сразу, как только они были готовы. Как всякий, кто привержен своей теории, я, надо признаться, находил новые дифракционные изображения довольно тревожными. Они ясно показывали, что рентгеновские дифракционные пятна размытые и выровнены неидеально, что не совпадало с предсказанной нами картиной. Казалось, что результаты соответствуют прогнозам как раз для конкурирующей модели стекла.