Stabilność potwierdzona obliczeniami
Zespół z University of Michigan pod kierunkiem Wenhao Sun opracował nowatorską metodę analizy energii kwazikryształów. Problem polegał na tym, iż tradycyjne techniki obliczeniowe sprawdzały się tylko w przypadku materiałów o regularnej, powtarzalnej strukturze atomowej. Naukowcy zastosowali podejście polegające na badaniu losowo wybranych fragmentów tych materiałów, stopniowo zwiększając ich rozmiary od 24 do 740 atomów. Dzięki ekstrapolacji wyników udało im się określić energie objętościowe i powierzchniowe całych struktur. Przełomowe badania nad stabilnością termodynamiczną kwazikryształów wymagały potężnej mocy obliczeniowej. Były to pierwsze analizy wykorzystujące technologię eksaskalową, zdolną do wykonania ponad tryliona operacji na sekundę.
Pokazaliśmy w artykule, że kwazikryształy są w rzeczywistości stabilne, co, jak sądzę, byłoby zaskakujące dla wielu ludzi – wyjaśnia Sun
Równolegle inna grupa badawcza z Colorado School of Mines podjęła się praktycznego zweryfikowania tych teorii. Zamiast analizować pojedyncze atomy, stworzyli modele kwazikryształów w skali makro przy użyciu komercyjnych mikrosfer Dynabeads. Te cząstki, około dziesięć tysięcy razy większe od atomów, pozwoliły po raz pierwszy w historii obserwować proces formowania się kwazikryształów w czasie rzeczywistym. Dzięki precyzyjnemu sterowaniu polami magnetycznymi i elektrycznymi naukowcy mogli kontrolować powstawanie tych niezwykłych struktur.
Ta praca zapewnia pierwszy działający system w skali optycznej do badania formowania się kwazikryształów w czasie rzeczywistym – to prawdziwy postęp – opisuje Chad Mirkin, Northwestern University
Nieoczekiwane właściwości magnetyczne
Tymczasem japońscy badacze dokonali kolejnego zaskakującego odkrycia. Zaobserwowali oni zjawisko antyferromagnetyzmu w kwazikryształach, co wcześniej uznawano za niemożliwe ze względu na ich nieregularną budowę. To potwierdza, iż te egzotyczne materiały mogą wykazywać właściwości magnetyczne podobne do tradycyjnych kryształów, pomimo braku okresowości w strukturze. Potwierdzenie stabilności termodynamicznej otwiera teoretyczną możliwość szerszego wykorzystania kwazikryształów w przemyśle. Materiały te charakteryzują się wyjątkową kombinacją właściwości: są słabymi przewodnikami ciepła i elektryczności przy jednoczesnej wysokiej trwałości i odporności chemicznej. Wśród potencjalnych zastosowań wymienia się powłoki nieprzywierające do naczyń kuchennych, wzmocnienia stali w urządzeniach medycznych, zabezpieczenia antyfałszerskie dla dzieł sztuki oraz specjalistyczne stopy do produkcji maszynek do golenia.
Wenhao Sun znajduje trafne porównanie, opisując kwazikryształy jako „dziobaki świata materiałów”. Podobnie jak to niezwykłe zwierzę łączy cechy różnych gatunków, tak kwazikryształy wykazują właściwości zarówno kryształów, jak i materiałów amorficznych, tworząc zupełnie nową kategorię materii. Badania nad kwazikryształami doskonale pokazują, jak współczesna nauka łączy odmienne dyscypliny. Matematycy analizujący aperiodyczne wzory Penrose’a, fizycy badający nadprzewodnictwo, chemicy pracujący nad stopami metali, a artyści inspirują się geometrią tych struktur – wszyscy znajdują w nich coś fascynującego.