В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

Физики нашли в куске метеорита, упавшего в России, очень редкий квазикристалл. Находка настолько редкая, что это лишь третий случай, когда подобный материал встретился ученым в природе. Однако уникальность подобным кристаллам дает не только их редкость. Дело в том, что они обладают настолько своеобразной симметричной структурой, что в течение десятилетий наука считала их существование «невозможным».


Новый квазикристалл был обнаружен командой геологов под руководством Луки Бинди из Флорентийского университета (Италия). Ученые исследовали кусочек метеорита, упавшего в российском селе Хатырка Анадырского района Чукотского автономного округа России пять лет назад и нашли в нем квазикристалл размером всего в несколько микрометров.

Следует отметить, что это уже третий квазикристалл, который был обнаружен в одном и том же метеорите, что может наталкивать на мысль о том, что могут быть еще и с еще более странными структурами.

«Радует то, что мы нашли уже три различных типа квазикристаллов в одном и том же метеорите. Последний обладает уникальным химическим строением, ранее никогда не встречавшимся у квазикристаллов», — говорит Пол Стейнхардт из Принстонского университета, один из ученых, принимавших участие в исследовании.

«Это наталкивает на предположение, что в метеорите, как в природе, могут скрываться и другие виды квазикристаллов».

Сами квазикристаллы обладают уникальной структурой, которая характеризуется запрещенной классической кристаллографией симметрией и наличием дальнего порядка. Другими словами, симметрия квазикристаллов присутствует на всех масштабах, вплоть до атомного, демонстрируя тем самым новую структурную организацию материи.

Обычные кристаллы, встречающиеся в тех же снежинках, алмазах и столовой соли, состоят из атомов, образующих почти идеальную симметрию. Поликристаллы, присутствующие в большинстве металлов, камнях, льде и аморфных твердых структурах вроде стекла, воска и большинства видов пластика, обладают более хаотичными и неупорядоченными структурами.

О наличии в природе еще одного типа атомной структуры – странной, полуупорядоченной формы материи, в которой отображаемая атомная структура обладает точечной симметрией, — в 1982 году доказал израильский физик Дан Шехтман.

Когда Шехтман обнаружил квазикристалл в образце сплава алюминия, который он создал в лаборатории, ученый сперва не поверил своим глазам, про себя сказав: «быть такого не может». Свое открытие ученый совершил 1982 году. В течение последующих десятилетий он дважды пытался опубликовать результаты своей работы в научных журналах, но ему отказывали. Над ученым коллеги в буквальном смысле смеялись, не веря его открытию. В конечном итоге статья Шехтмана в очень сокращенном виде и в соавторстве с другими видными учеными была опубликована. Причиной недоверия, разумеется, являлось то, что на протяжении более 200 лет квазикристаллы рассматривались в качестве чего-то крайне невероятного. Их предполагаемая уникальная симметрия считалась за гранью традиционных правил кристаллографии. И все же за свою работу Шехтман удостоился в 2011 году Нобелевской премии по химии.

Интересно отметить, что с квазикристаллами физики встречались задолго до их официального открытия. Ученые ошибочно идентифицировали их как кубические кристаллы с большой постоянной решетки (размером элементарной кристаллической ячейки кристалла). Элементарная ячейка, как правило, может быть представлена разными формами, например, прямоугольной, кубической, треугольной или гексагональной, однако квазикристаллы обладают структурой апериодического порядка – имеют пять симметричных сторон, образуя пятиугольники, которые, в свою очередь, создают икосаэдрическую симметрию.

Патрисия Тиль, старший научный сотрудник Лаборатории имени Эймса Министерства энергетики США, приводит следующий пример:

«Допустим, вы хотите покрыть пол мозаичной плиткой. Плитка обладает идеальными ровными линиями. Она может быть прямоугольной, треугольной, квадратной или гексагональной. Все эти фигуры можно сложить вместе. Любые другие фигуры простой формы сложить не получится, потому что останутся пропуски, пробелы. Квазикристаллы — как пентагональные плитки. Они не могут соединяться как соединяются треугольники и квадраты. Однако в такой структуре пробелы заполняются атомами других веществ, образуя в результате, например, вот такие формы»:



А вот изображение структуры новообнаруженного квазикристалла с симметрией пятого порядка:



Несмотря на то, что квазикристаллы очень редко встречаются в природе (по крайней мере на Земле), их очень легко создавать в лабораторных условиях. В настоящий момент синтетические квазикристаллы используются практически во всем, начиная от производства сковородок и заканчивая производство LED-лампочек.

Когда ученые изучили состав нового квазикристалла, они подтвердили, что он состоит из комбинации атомов алюминия, меди и железа, соединенных в пентагональные формы, как те, что можно встретить, например, на футбольных мячах. В природе подобный состав квазикристаллов был обнаружен впервые. Однако находка позволяет предположить, что мы далеко не все понимаем об этой причудливой форме материи.