"Очень странно. Самый странный материал, который я когда-либо видел », – говорит физик-материаловед Лайл Левин из Национального института стандартов и технологий (NIST).
Исследовательская группа из NIST, Аргоннской национальной лаборатории, Французского центра разработки материалов и исследований (CNRS) и Вашингтонского университета проанализировала твердый сплав, который они обнаружили в небольших дискретных участках быстро охлаждаемой смеси алюминия. железо и кремний.
Материал, похоже, не имеет расширенного упорядочения атомов, обнаруженного в кристаллах, что сделало бы его стеклом, за исключением того, что он имеет очень определенный состав и растет наружу из «семян» – то, что стекла, безусловно, не делают.
Раньше каталог твердых тел был довольно простым.
Твердый материал был либо кристаллом, либо стеклом. Кристаллы заполняют пространство атомами или молекулами в определенных, довольно жестких структурах.
Положение атомов фиксировано таким образом, что если вы возьмете любую часть чистого кристалла и сдвинете ее вверх, вниз, внутрь, наружу или в сторону на заданное расстояние, она идеально поместится в новом положении. Это трансляционная симметрия. Вы также можете вращать кристалл на определенные углы, и атомы также выстроятся в линию; это вращательная симметрия.
У очков нет симметрии.
Это просто случайное расположение их компонентов, как если бы вы взяли жидкость и внезапно заморозили все на месте, не давая атомам возможности привести в порядок. Так, собственно, и делают металлические очки.
В 1980-х годах Дэн Шехтман, израильтянин, тогда работавший в NIST в качестве приглашенного исследователя, встряхнул эту парадигму, обнаружив доказательства существования квазикристаллов, новой категории твердых тел, в которых атомный состав фиксирован, а материал имеет вращательную симметрию, но странным образом не поступательная симметрия. В структуре атомов отсутствует дальний порядок.
Новый материал, который исследовательская группа условно назвала «q-стеклом», может быть продемонстрировано с помощью дифракции рентгеновских лучей, не имеет ни вращательной, ни трансляционной симметрии, как стекло, говорит Левин, но, тем не менее, атомное расположение очевидно такое не случайно. «По мере роста узелка каждый атом все еще знает, куда идти», – говорит он.
Во-первых, по словам Левина, у q-стекла строгий химический состав. Под микроскопом видно, что, как и в кристалле, сферические области q-стекла вырастают наружу из затравки во время охлаждения и исключают атомы, которые не подходят друг другу. «Он отвергает атомы, которые не вписываются в структуру, и если структуры нет, то этого не произойдет», – говорит Левин. "Это потрясающе. Все, что вы можете подумать об этой вещи, ведет себя как кристалл, кроме того, что это не так."
Команда использовала множество сложных методов в Advanced Photon Source в Аргонне, чтобы исключить другие возможности. Материал может, например, представлять собой массу случайно расположенных кристаллов, настолько маленьких, что они не проявляются индивидуально под рентгеновскими зондами.
Но если бы такие кристаллы были, они бы медленно росли по мере отжига материала. Этого не бывает. «Мы просмотрели длинный список возможных вариантов и опровергли их одну за другой», – говорит Левин.
Одна из возможностей, говорят исследователи, – это «разочарование» – два или более несовместимых порядка кристаллов могут начать расти из семян и постоянно мешать друг другу, разрушая любой дальний порядок. Но «одна захватывающая возможность состоит в том, что q-стекло является первым примером трехмерной упорядоченной конфигурации атомов, не обладающей ни поступательной, ни вращательной симметрией», – говорит Левин. "Такие структуры теоретизировались математиками, но никогда ранее не наблюдались в природе."