A kvázikristályok felfedezése

A 2011-es kémiai Nobel-díj története. 

A kvázikristályok felfedezése

A felfedezés

Amikor Dan Shechtman 1982. április 8-án először lejegyezte később Nobel-díjat érő felfedezését a jegyzetfüzetébe, rögtön három kérdőjelet írt mellé. Az általa vizsgált alumínium és mangán keverékéből álló anyag már szabad szemmel is különösnek tűnt, amikor azonban elektronmikroszkóp alá helyezte a legfurcsább dolgot vette észre: a képen különböző méretű koncentrikus körök látszottak, melyek mindegyike tíz egymástól egyforma távolságra elhelyezkedő, fényesebb pontból állt. Ezek a formációk ráadásul gyors ütemű hűtés hatására sem bomlottak meg, ami teljesen ellentmondott ismert természeti törvényeknek.

A Shechtman által látott kép egy diffrakciós kép volt, amely azon az elven jön létre, hogy ha egy fémlapba egymástól megfelelő távolságra két apró lyukat fúrunk, akkor a lyukakon áthaladó fényhullámok interferálnak egymással, vagyis egyes helyeken erősítik, másutt kioltják egymást, így egy fényesebb pontokat és sötétebb részeket felváltva tartalmazó képet kapunk a fémlap mögé elhelyezett ernyőn. Shechtman képe is ilyen tehát, csak éppen fény helyett elektronokat használt, fémlemez lyukai valójában a gyorsan hűlő fém atomjai közti rések voltak, és a kísérlet három dimenzióban zajlott.

A diffrakciós kép alapján Shechtman számára világos volt, hogy a fématomok valamiféle kristályrácsba rendeződtek. Ezzel még nem is lett volna probléma, hiszen nagyon sok szilárd anyag atomjai tesznek így. Viszont egészen addig még senki sem látott olyan kristályszerkezetet, amelynek diffrakciós képében tíz fénypötty rendeződik szabályos kör alakba, sőt akkoriban úgy tartotta a tudományos közvélemény, hogy ilyen anyag létezése nem képzelhető el.

A kristályszerkezetekben az atomok úgy rendeződnek el, hogy ismétlődő, szimmetrikus mintázatokat alkotnak. Három, négy, hat vagy nyolc tengelyű szimmetriát könnyen el tudunk képzelni, amit Shechtman felfedezett azonban öt tengelyű szimmetriára utalt, amit nehéz elképzelni, tekintve hogy szabályos ötszögekkel ‒ átfedések nélkül ‒ nem lehet maradéktanul lefedni a síkot. A jelenséget tovább vizsgálva, megállapította, hogy úgy tűnik mégis létezhet ilyen szerkezet, vagyis az előzetes feltevések voltak hibásak. Eredményeinek közzétételét nem fogadták kitörő lelkesedéssel. Kollégái nevetségesnek találták az egész helyzetet, a laborvezető egy kristálytani szakkönyvet nyomott a kezébe, főnöke pedig arra kérte, hogy hagyja el a kutatócsoportot. 

A publikáció és Penrose előzetes eredményei

Dan Shechtman végül ideiglenesen felfüggesztette a kutatást, és 1983-ban befejezte PhD-jét. Ezt követően immár egy társával, Ilan Blech-hel közösen kísérelték meg modellezni azt az atomi szerkezetet, amely létrehozhatja az ominózus diffrakciós képet. Eredményeiket a Journal of Applied Physics című folyóiratnak nyújtották be 1984 nyarán, de szerkesztő egyből visszadobta a tanulmányt. Végül a neves fizikust, John Cahn-t kérte fel Shechtman, hogy nézze át a kísérleti eredményeket, aki ezt francia kollegájával, Denis Gratias-szal együtt meg is tette, és nem találtak hibát. A „nagyok” támogatásával, végül négyük neve alatt jelent meg a tanulmány 1984 novemberében a Physical Review Letters folyóiratban.

A tanulmány alapjaiban rázta meg a krisztallográfia tudományát, mivel megkérdőjelezte azt az alapvető feltevést, hogy minden kristály egyforma építőelemekből, úgynevezett elemi cellákból épül fel. Bár nem kevés kritika érte a szerzőket, ezzel egy időben a tudományág több kutatója is a homlokára csapott, visszaemlékezve a kísérleteik során tapasztalt hasonló jelenségekre, amelyeket akkor anomáliáknak, véletlen hibáknak tekintettek, és nem foglalkoztak tovább velük. A régi adatokat újra elővéve újabb és újabb, eddig lehetetlennek kikiáltott szimmetriaformák bukkantak elő.

Amikor a tanulmány megjelent Shechtmannak és munkatársainak még fogalmuk sem volt róla, hogy maga a „rendellenes” kristály milyen atomszerkezetű lehet. A válasz végül a matematika világából érkezett, azon belül is a mozaikok kutatásából. A hatvanas években kezdte el érdekelni a matematikusokat, hogy lehetséges-e a síknak véges sokféle csempével (síkidommal) való, átfedés- és hézagmentes lefedése úgy, hogy nincs olyan része a síknak, aminek ismételt eltolásával a végtelen sík mintázata megkapható lenne. Az ezt eredményező csempehalmazt aperiodikus csempehalmaznak nevezték.

1966-ban egy amerikai kutató több mint 20 ezer különböző csempéből oldotta meg a problémát, az igazi áttörést azonban a brit Roger Penrose megoldása jelentette a hetvenes évek közepén: aperiodikus halmaza kétféle csempét tartalmazott, egy vaskosabb és egy vékonyabb rombuszformát. Penrose másik, hatféle csempét tartalmazó halmaza pedig cáfolta azt a tévhitet is, miszerint legfeljebb négyszögletű csempékben érdemes gondolkodni: alakzatai csillagszerű formák voltak. Kutatásai nyomán arra is fény derült, hogy az arab mozaikkészítők már a 13. században ötféle csempéből készítettek nemperiodikus mozaikokat. Ilyenek díszítik a spanyolországi Alhambra-palotát, valamint az iráni Darb-i-Imam szentélyét.

 

Mozaikok és kvázkristályok

Alan Mackay, egy kristálytannal foglalkozó kutató Penrose eredményeiről hallva kíváncsi lett, hogy az atomok képesek-e nemperiodikus formákban elrendeződni. A modelljében Penrose-mozaik csempéinek „sarkaiba” atomokat imitáló köröcskéket helyezett, majd megnézte, hogy egy ilyen szerkezetű anyag milyen diffrakciós képet hozna létre: Csodák csodájára tíz fényes pöttyből álló, koncentrikus köröket kapott eredményül.

A két kutatás összefüggésére Paul Steinhardt és Dov Levine fizikusok jöttek rá, akik előzetesen már ismerték Mackay modelljét, Shechtman cikkét pedig megjelenése előtt ellenőrzésre kapták meg. A kvázkristályok szerkezete és a nemperiodikus csempeminták közti kapcsolatról szóló tanulmányukat öt héttel Shechtman cikkének megjelenése után publikálták. Ebben a tanulmányban kapta meg mai nevét a különös szerkezetű anyag.

A kvázikristályok gyakorlati hasznosításának módjára szintén véletlenül jöttek rá. Egy svéd acélgyártó cég különböző ötvözetekkel próbálkozott, míg végül meglepően jó tulajdonságokkal bíró végeredményt kaptak. Az acél atomi vizsgálata során kiderült, hogy két fázisból áll: a keményebb, kvázkristályos szerkezetű részek egy „puhább” acélszerkezetbe vannak ágyazva. Ezt a fajta acélt, manapság például borotvapengék és különösen vékony tűk gyártásánál használják. Ezen kívül a kvázkristályok szerkezetükből adódóan rosszul vezetik a hőt és az elektromosságot, viszont ebből következően kiválóan alkalmazhatók termoelektromos felületekként, amelyek a hőenergiát elektromos energiává alakítják. Kísérletek folynak az irányban is, hogy esetlegesen a kvázikristály-bevonat lehet a teflon utóda a különféle főzőedények belsejében.

Nobel-díjas felfedezés

A természetben eddig egyetlen esetben találtak kvázikristályos szerkezetű anyagot: 2009-ben, Kelet-Oroszország egyik folyójában bukkantak rá egy addig ismeretlen ásvány nyomaira. Az alumíniumot, rezet és vasat tartalmazó anyag az ikozahedrit nevet kapta. Elemzésének legújabb eredményei alapján szinte biztosan földönkívüli eredetű, ugyanis szélsőséges nyomásoknak és hőmérsékleteknek volt kitéve, ami az aszteroida-övben zajló meteoritképződés nagy sebességű ütközéseinek egyik fő ismertetőjegye. A kőzet anyaga továbbá különböző oxigén izotópokban bővelkedik, ami sokkal inkább jellemző a meteoritokra, mint a földi kőzetekre.

Ez felveti azt a kérdést, hogy milyen módon alakulhatnak ki a kvázikristályok a természetben vagy az űrben, amikor laboratóriumi létrehozásuk nagyon összetett és gondosan szabályozott folyamat eredménye. Az orosz minta létezése arra utal, hogy kevésbé kontrollált körülmények között, esetleg általunk egyelőre ismeretlen módszerekkel is létrehozhatók a kvázikristályok.

Daniel Shechtman 2011. december 10-én a kvázikristályok felfedezéséért átvehette a legrangosabb tudományos elismerésnek számító Nobel-díjat. Története példaértékű abból a szempontból, hogy a tudomány úttörőinek újra meg újra meg kell küzdeniük a fennálló, öröknek hitt „igazságokkal”, amelyekről utólag gyakran kiderül, hogy mindössze nem kellően megalapozott feltételezések voltak. Shechtman egyik legnagyobb kritikusa, a maga is kétszeres Nobel-díjas Linus Pauling volt, ami világosan megmutatja, hogy legnagyobb, legfelvilágosultabb gondolkodású kutatóink sem immunisak a tradíciók megkötő erejével szemben. Pedig sokszor a nyitott elmével járó, az ismert tudást bátran megkérdőjelező tudósok viszik előrébb a világot.

Források:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2011/popular.html

http://www.nature.com/news/the-quasicrystal-from-outer-space-1.9728

http://www.ujgalaxis.hu/ebooktar/scam9106/910622.htm

Tesztek

{{ i }}
arrow_backward arrow_forward
{{ content.commentCount }}

{{ content.title }}

{{ content.lead }}
{{ content.rate }} %
{{ content.title }}
{{ totalTranslation }}
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mond el mit gondolsz a cikkről.
{{ showMoreCountLabel }}

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap arrow_forward