УНИКАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА
КВАЗИКРИСТАЛЛОВ
5 октября 2011 года члены Шведской королевской Академии наук объявили о присуждении Нобелевской премии по химии израильскому учёному профессору Технологического института из Хайфы Даниэлю Шехтману. Нобелевский комитет резюмировал, что «Лауреат Нобелевской премии по химии за 2011 год полностью изменил представление химиков о природе твёрдых тел».
Б.Б. Бохонов, доктор химических наук
Открытие квазикристаллов можно считать волей случая, поскольку было сделано при проведении «рутинных» исследований металлических сплавов алюминия и марганца, полученных быстрой закалкой расплавов. 8 апреля 1982 года Даниэль Шехтман сделал в своем рабочем журнале запись: «ось 10 порядка???», что послужило отправной точкой в изучении нового класса твёрдых веществ.
А в 1984 году в журнале «Physical Review Letter», после достаточно долгой переписки с рецензентами и отказами в публикации, Шехтману с соавторами удалось опубликовать статью о полученной интерметаллической фазе состава Al6Mn, обладающей осью симметрии 5-го порядка.
 |
| Квазикристалл сплава алюминия, меди и железа, образовавшийся в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. |
В то время это сообщение вызвало революцию в кристаллографии, поскольку, согласно одному из основных её постулатов, кристаллы могут иметь оси симметрии только 1, 2, 3, 4 и 6-го порядка, а существование осей симметрии 5-го и выше 6-го порядков невозможно.
Открытая Шехтманом фаза также не могла быть отнесена к аморфным веществам, у которых наблюдается только ближнее упорядочение атомов и нет трансляционной симметрии. На дифракционных картинах полученной фазы Al6Mn имелись чёткие рефлексы, и их расположение подтверждало наличие «запрещённой» оси симметрии и отсутствие трансляционной симметрии. Расположение рефлексов на картинах электронной дифракции подчинялось закону золотого сечения. Таким образом, новая фаза относилась к новому классу твёрдых веществ, обладающих необычной структурой, а по степени упорядочения занимала промежуточное положение между кристаллическими и аморфными фазами.
Был создан математический аппарат для описания структуры таких фаз, получивших название икосаэдрических фаз или квазикристаллов. Последовавшие за открытием Шехтмана многочисленные исследования подтвердили существование таких фаз не только в сплавах алюминия с марганцем, но и в других металлических системах. Если вначале полагали, что квазикристаллические фазы метастабильны и могут быть получены только в экстремальных условиях, как правило, методом быстрой закалки расплавов, то в настоящее время применяются и некоторые традиционные методы приготовления сплавов. Интенсивное исследование и поиск новых фаз, обладающих необычной симметрией, привели к открытию и стабильных природных квазикристаллов, которые были найдены в бассейне реки Хатырка на юго-востоке Чукотки и получили название — икосаэдрит (публикация в журнале «Science» 2009).
Существенный вклад в развитие методов синтеза квазикристаллических фаз был сделан в Институте химии твёрдого тела и механохимии СО РАН, где был предложен и осуществлен механохимический синтез квазикристаллов, а первая работа была опубликована коллективом авторов (Е. Ю. Иванов, И. Г. Констанчук, Б. Б. Бохонов и В. В. Болдырев) в 1989 году. В ИХТТМ СО РАН был также разработан и осуществлен самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) стабильных квазикристаллических фаз
(Б. Б. Бохонов, М. А. Корчагин). Применение механохимических и СВС методов синтеза дало возможность получать квазикристаллические фазы достаточно быстро, просто и в большом количестве. Совместно с ИЯФ СО РАН на источнике синхротронного излучения были проведены исследования структурных характеристик квазикристаллов.
Несмотря на то, что к настоящему моменту квазикристаллы не нашли широкого практического применения, они обладают рядом уникальных свойств: низкие значения коэффициента трения и теплопроводности, электросопротивление при низких температурах аномально велико и уменьшается с ростом температуры. В любом случае, открытие квазикристаллов расширяет представления о строении твердых тел и, несомненно, приведет к их практическому использованию.
стр. 7
|
