Najnowsze badania sugerują, że tak. Zespół naukowców ze Stanów Zjednoczonych donosi o odkryciu całej rodziny kryształów, które zachowują się według czytelnych i – co najważniejsze – przewidywalnych reguł. To trochę jak posiadanie uniwersalnego zestawu klocków, z których można budować różne formy, mając pewność, że końcowy kształt nie będzie przypadkowy.
Dziesięć odmian z jednego przepisu
Chodzi o homologiczną serię kryształów na bazie baru. W jej skład wchodzi dziesięć różnych związków o wspólnym wzorze BaSbQ, gdzie Q stanowi mieszanina telluru i siarki w zmiennych proporcjach. Co ciekawe, wszystkie one zbudowane są z identycznych, podstawowych komponentów, oznaczonych jako A1 i Bn. Różnica polega wyłącznie na ich rozmiarze i wzajemnym ułożeniu.
Czytaj także: Kryształ czasu prosto ze świata muzyki. Fizycy odkryli nową fazę materii
Okazało się, że kluczem do kontrolowania tej architektury jest właśnie stosunek siarki do telluru. Nawet subtelne modyfikacje w tych proporcjach prowadzą do znaczących przeobrażeń całej struktury krystalicznej. Mimo że podstawowy zestaw elementów jest ten sam, każda z dziesięciu wersji związku tworzy odrębną, systematycznie zmieniającą się formę. Badacze nie tylko zsyntetyzowali wszystkie warianty, ale i odkryli mechanizm sterujący tymi zmianami. Wszystko sprowadza się do niewielkich różnic w powinowactwie elektronowym między siarką a tellurem – to te subtelne właściwości chemiczne dyktują warunki na poziomie makroskopowym.
Ten mechanizm nazwano anionową dysproporcją. Wykorzystuje on różnice w rozmiarze jonów i ich chęci przyciągania elektronów do precyzyjnego kształtowania materiału. Atomy siarki są bardziej elektroujemne niż tellur, przez co silniej przyciągają elektrony. W praktyce siarka nie rozprasza się losowo w sieci krystalicznej, lecz wybiera i zajmuje specyficzne, bogate w elektrony pozycje. To z kolei zmienia rozkład elektronów w sąsiednich fragmentach z tellurem, zmuszając je do zmiany kształtu i długości. Naukowcy celowo zastąpili część telluru siarką w materiale wyjściowym BaSbTe, nie ingerując przy tym w ogólny ładunek. Ta pozornie drobna podmiana wywołała kaskadę przewidywalnych zmian strukturalnych, odsłaniając czytelny zestaw zasad chemicznych.
Od teorii do praktyki
Największą zaletą tej serii materiałów jest właśnie ich systematyczność. Znając strukturę jednego ogniwa sekwencji, można z dużą dozą pewności przewidzieć, jak będzie wyglądało następne. W świecie materiałoznawstwa, gdzie często rządzi przypadek, taka powtarzalność jest rzadkością o ogromnym potencjale. Otwiera to drogę do projektowania nowych struktur z góry, zamiast mozolnego ich odkrywania metodą prób i błędów.
Ma to szczególne znaczenie dla rozwoju narzędzi opartych na sztucznej inteligencji. Zrozumienie związku między drobnymi zmianami chemicznymi a ogólną architekturą materiału może znacząco pomóc w ulepszaniu modeli uczenia maszynowego do przewidywania i syntezy nowych związków. Algorytmy potrzebują jasnych reguł, by działać skutecznie, a to odkrycie dostarcza właśnie takich wskazówek. Mieszanie anionów stanowi nowe, potężne narzędzie do precyzyjnego zarządzania strukturą krystaliczną w złożonych ciałach stałych, co do niedawna było niezwykle trudne.
Czytaj także: Przełom w fizyce na wyciągnięcie ręki. Naukowcy stworzyli kryształ czasu widoczny gołym okiem
Szczegóły odkrycia opublikowane w periodyku „Science” przez zespół Hengdi Zhao, z pewnością nie rozwiążą od razu wszystkich problemów inżynierii materiałowej. Jest to jednak istotny krok w kierunku bardziej racjonalnego projektowania. Zamiast polegać na szczęśliwym trafie, naukowcy zyskują narzędzie do świadomego konstruowania kryształów o pożądanych właściwościach fizycznych i chemicznych. Perspektywa jest obiecująca, ale realne wdrożenia wymagają czasu i dalszych badań. Można być jednak ostrożnie optymistycznym – w końcu każda powtarzalna reguła w tak złożonej dziedzinie to rzecz na wagę złota.