Misteri bagaimana quasicrystals terbentuk

Versi aslinya dari cerita ini muncul di Berapa banyak majalah.

Sejak penemuan mereka pada tahun 1982, bahan -bahan eksotis yang dikenal sebagai quasicrystals telah membuat fisik dan ahli kimia. Atom -atom mereka mengatur diri mereka menjadi rantai pentagon, decagon, dan bentuk -bentuk lain untuk membentuk pola yang tidak pernah terulang. Pola -pola ini tampaknya menentang hukum dan intuisi fisik. Bagaimana atom dapat “tahu” bagaimana membentuk pengaturan non -perulang yang rumit tanpa pemahaman matematika yang lebih lanjut?

“Quasicrystals adalah salah satu hal yang sebagai ilmuwan material, ketika Anda pertama kali belajar tentang mereka, Anda seperti, ‘Itu gila,’” kata Wenhao Sun.seorang ilmuwan material di University of Michigan.

Namun, baru -baru ini, serentetan hasil telah mengupas beberapa rahasia mereka. Di dalam satu studiSun dan kolaborator mengadaptasi metode untuk mempelajari kristal untuk menentukan bahwa setidaknya beberapa quasicrystals stabil secara termodinamik-atom-atom mereka tidak akan puas dengan pengaturan energi yang lebih rendah. Temuan ini membantu menjelaskan bagaimana dan mengapa quasicrystals terbentuk. A studi kedua telah menghasilkan cara baru untuk merekayasa quasicrystals dan mengamatinya dalam proses pembentukan. Dan kelompok riset ketiga memiliki dicatat Properti yang sebelumnya tidak diketahui dari bahan -bahan yang tidak biasa ini.

Secara historis, quasicrystals telah menantang dan mengkarakterisasi.

“Tidak ada keraguan bahwa mereka memiliki properti yang menarik,” kata Sharon Glotzerseorang fisikawan komputasi yang juga berbasis di University of Michigan tetapi tidak terlibat dengan pekerjaan ini. “Tetapi bisa membuat mereka dalam jumlah besar, untuk meningkatkannya, di tingkat industri—[that] Tidak merasa mungkin, tetapi saya pikir ini akan mulai menunjukkan kepada kita bagaimana melakukannya secara reproduksi. “

Simetri ‘terlarang’

Hampir satu dekade sebelum fisikawan Israel Dan Shechtman Menemukan contoh -contoh pertama quasicrystals di lab, fisikawan matematika Inggris Roger Penrose memikirkan “quasiperiodic” — hampir tetapi tidak cukup berulang – pola yang akan bermanifestasi dalam bahan -bahan ini.

Penrose set ubin yang dikembangkan Itu bisa menutupi bidang tak terbatas tanpa celah atau tumpang tindih, dalam pola yang tidak, dan tidak bisa, mengulangi. Tidak seperti tessellations yang terbuat dari segitiga, persegi panjang, dan segi enam – selembar yang simetris di dua, tiga, empat atau enam sumbu, dan ruang ubin yang dalam pola periodik – tiling patrose memiliki simetri lima kali lipat “terlarang”. Ubin membentuk pengaturan pentagonal, namun pentagon tidak bisa pas berdampingan dengan ubin pesawat. Jadi, sedangkan ubin sejajar sepanjang lima sumbu dan tessellate tanpa henti, bagian -bagian pola yang berbeda hanya terlihat serupa; Pengulangan yang tepat tidak mungkin. Tilings quasiperiodic Penrose membuat penutup Ilmiah Amerika Pada tahun 1977, lima tahun sebelum mereka melakukan lompatan dari matematika murni ke dunia nyata.

Pada tahun 1982, Shechtman menemukan struktur atom quasiperiodik dengan simetri lima kali lipat dalam paduan logam yang diciptakan laboratorium-sesuatu yang sebagian besar ilmuwan telah dianggap mustahil. Fisikawan Paul Steinhardt dan Dov Levine memberi nama “quasicrystals” ke kelas materi baru ini dan mengklasifikasikan simetri yang diizinkan. Steinhardt nanti menemukan contoh yang terjadi secara alami dari quasicrystals.

Pada saat Shechtman memenangkan Hadiah Nobel 2011 dalam kimia untuk penemuannya, ratusan peneliti di seluruh dunia mencoba menjelaskan struktur yang terlihat mustahil ini dan menemukan kegunaan untuk mereka.

Meskipun menarik bagi fisikawan, quasicrystals sejauh ini telah menemukan beberapa aplikasi. Mereka ada di ranah di antara-mereka tidak diperintahkan seperti kristal, bukan tidak terstruktur seperti kacadan kurang mudah ditempa dari logam yang terbuat dari mereka. Struktur mereka yang terus bervariasi membuatnya sulit untuk secara definitif menjabarkan sifat-sifat mereka.

Beberapa aplikasi telah diidentifikasi. Karena mereka umumnya konduktor panas dan listrik yang buruk dan relatif tahan lama dan tidak reaktif, mereka berpotensi berguna untuk pelapis peralatan masak antilengket, dan untuk memperkuat baja di perangkat medis dan pisau cukur. Ada juga upaya untuk menggunakan pola unik mereka untuk membuat tag anti-penipuan atom untuk karya seni. Penggunaan skala besar, bagaimanapun, telah terhambat oleh betapa sulitnya quasicrystals yang sulit dipahami.

Sedangkan ubin Penrose memberikan deskripsi matematika yang mencerahkan, mereka tidak mengatakan apa-apa tentang mekanisme di mana atom-atom diri sendiri ke dalam pola-pola ini. Dengan quasiperiodicity, posisi satu atom menentukan yang lain di bagian yang jauh dari material, meskipun atom -atom ini tidak berinteraksi secara langsung. Bagaimana mereka melakukannya?

Metode lama, penggunaan baru

Berusaha untuk mengetahuinya, Sun dan rekan-rekannya mempelajari dua jenis quasicrystals, keduanya paduan logam yang atom-atomnya mengatur diri mereka menjadi 30 sisi, bentuk tiga dimensi yang dikenal sebagai triacontahedron belah ketupat. Seperti pentagon, ini tidak bisa duduk dengan pas berdampingan. Oleh karena itu, bentuknya mengambil pola quasiperiodik.

Pengukuran difraksi sinar-X telah mengungkapkan struktur atom quasicrystals. Para peneliti menerapkan teknik yang disebut Teori Fungsional Kepadatan (DFT) untuk data ini.

DFT melibatkan pengukuran keadaan elektron atau partikel kuantum lainnya dalam suatu material dan menggunakan informasi itu untuk memprediksi sifat material, seperti kekerasan dan stabilitas.

Kompleksitas perhitungan DFT tumbuh secara eksponensial dengan jumlah partikel. Keterbatasan ini dapat dikelola dalam kristal konvensional karena struktur atom yang berulang berarti bahwa bagian “sel satuan” kecil dapat memberikan informasi yang representatif tentang keseluruhan. Namun dalam quasicrystals, apa yang benar di satu wilayah sampel mungkin tidak benar di tempat lain.

Untuk menerapkan DFT, para peneliti mempertimbangkan potongan yang dipilih secara acak dari quasicrystals yang lebih besar, suatu proses yang mereka sebut “nanoscooping.” Sendok terkecil mereka berisi 24 atom, 740 terbesar mereka. Bahkan pada ukuran terbatas ini, “Ini adalah perhitungan DFT yang paling mahal dari padatan sepanjang masa,” kata Sun – perhitungan pertama yang menggunakan “komputasi exascale,” yang melibatkan lebih dari satu miliar operasi per detik.

Mereka menghitung energi dan energi curah dari sampel mereka: berapa banyak atom energi yang dibutuhkan untuk mempertahankan ikatan mereka, baik di permukaan maupun di bagian dalam. Karena atom permukaan hanya memiliki ikatan di satu sisi, energi permukaan selalu lebih tinggi dari energi curah. Perbedaan antara energi permukaan dan curah, serta total gabungannya, bervariasi dari material ke material, mempengaruhi betapa mudahnya struktur atom ini nukleat dan tumbuh. Sampai penelitian ini, quasicrystals telah luput dari jenis perhitungan ini. Tetapi sendok ukuran yang berbeda memungkinkan tim untuk memodelkan perkembangan energi dari yang lebih kecil menjadi lebih besar, ekstrapolasi dari sana ke quasicrystal secara keseluruhan.

Unsur -unsur yang membentuk senyawa dalam quasicrystal juga dapat digabungkan menjadi bentuk lain, termasuk banyak bahan kristal stabil yang diketahui. Merencanakan permukaan gabungan dan energi curah dari berbagai senyawa stabil membentuk bentuk – zona abstrak stabilitas untuk bahan yang terbuat dari unsur -unsur tersebut. Sun dan rekan -rekannya menemukan bahwa energi yang mereka hitung dengan pendekatan DFT baru ini memang jatuh pada bentuknya.

“Kami menunjukkan di koran bahwa quasicrystals, pada kenyataannya, stabil, yang menurut saya akan mengejutkan bagi banyak orang,” kata Sun.

“Itu sangat luar biasa. Ini hal yang sangat pintar,” kata Glotzer. “Sampai sekarang, tidak ada yang pernah berhasil mencoba melakukan perhitungan DFT pada sesuatu yang tidak berkala.”

Michael Widomseorang fisikawan di Universitas Carnegie Mellon, mengatakan hasil stabilitas mungkin membantu menjelaskan bagaimana bentuk quasicrystals. “Itu menjawab pertanyaan mendasar. Jika Anda dihadapkan dengan keberadaan sesuatu, Anda ingin tahu, ‘Mengapa itu ada?’” Katanya. “Ini memuaskan rasa ingin tahu intelektual.”

Bahan secara alami cenderung ke arah keadaan berenergi rendah. Energi keseluruhan tergantung pada seberapa dekat atom dikemas bersama, serta bentuk ikatan mereka. Dalam quasicrystals yang dipelajari tim Michigan, triacontahedron belah ketupat memaksa pola quasiperiodic dan tampaknya membutuhkan energi yang relatif kecil.

“Kami belum membuktikan ini secara meyakinkan, tetapi interpretasi saya adalah bahwa triacontahedron, blok bangunan quasicrystals ini, adalah bentuk yang sangat bahagia,” kata Sun. “Dengan senang hati, maksudku blok bangunan berenergi rendah, berbentuk stabil.”

Dynabead Quasicrystals

Eksperimen yang baru diterbitkan bersama Brennan taburanahli matematika terapan di Colorado School of Mines, dirancang untuk memandu partikel ke tempat yang bahagia itu.

Atom sangat kecil sehingga fisikawan tidak dapat dengan mudah mengamati atau mengendalikan perakitan mereka menjadi quasicrystals. Jadi taburan dan kolaboratornya mengembangkan metode fabrikasi baru yang relatif sederhana: mereka menumbuhkan quasicrystals dari partikel yang dijual secara komersial yang disebut Dynabeads. Pada mikrometer di seberang – 10.000 kali lebih besar dari atom individu – Dynabeads jauh lebih mudah dikendalikan dan diamati. Menggunakan medan magnetik dan listrik, para peneliti menginduksi struktur quasiperiodik untuk “hanya melipat dari beberapa titik nukleasi seperti kepingan salju tiga dimensi,” kata Sprinkle.

Peneliti lain melihat potensi praktis dalam kemajuan ini.

“Karya ini menyediakan sistem langsung yang langsung dan optik untuk mempelajari pembentukan quasicrystal secara real time-kemajuan asli,” kata Chad Mirkinseorang ahli kimia di Universitas Northwestern. “Belum jelas wawasan mekanistik akan menggeneralisasi ke sistem quasicrystal lainnya, tetapi dalam hal sintesis dan aplikasi, itu adalah langkah maju yang kuat dan kreatif. ”

Ketika para peneliti mendapatkan wawasan tentang bagaimana bentuk quasicrystals, mereka juga terus mengungkap properti yang tidak terduga. Sebuah tim peneliti Jepang baru-baru ini melaporkan pengamatan antiferromagnetisme pertama di quasicrystals. Fenomena ini, di mana momen -momen magnetik partikel menunjuk ke arah yang bergantian, sebelumnya dipandang terlalu teratur untuk dimanifestasikan dalam struktur quasicrystals yang tidak berulang.

Kemajuan ini dalam sintesis dan karakterisasi memungkinkan untuk merenungkan aplikasi, menyegarkan komunitas penelitian yang sudah didorong oleh semacam keingintahuan yang menggembirakan.

“Saya pikir ada begitu banyak pekerjaan menarik yang dilakukan pada quasicrystals karena mereka memiliki sifat menarik ketika dipelajari dari sudut apa pun: dari matematika tiling aperiodik, fisika superkonduktivitas, kimia paduan yang membentuk quasicrystals,” kata Sprinkle. “Ada semacam jaringan yang menarik di sini sehingga ahli matematika, fisikawan, ahli kimia, dan bahkan seniman dapat bekerja sama untuk memahami dan memperluas semua sifat luar biasa yang dimiliki quasicrystals.”

Sun menemukan quasicrystals sama gila sekarang seperti ketika dia pertama kali belajar tentang mereka. “Mereka seperti platipus material,” katanya. “Mereka memiliki aspek kristal; mereka memiliki aspek bahan amorf. Apakah platipus hewan yang lebih baik daripada yang lain? Tidak juga, tapi itu menarik, mamalia ini yang bertelur.”

Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Berapa banyak majalahpublikasi editorial independen dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan meliput perkembangan penelitian dan tren matematika dan ilmu fisik dan kehidupan.