Dlaczego kwazikryształy istnieją? Historyczny model dostarcza odpowiedzi

Dotychczas ograniczeniem w tego typu eksperymentach pozostawał fakt, że kwazikryształów nie dało się stymulować z wykorzystaniem mechaniki kwantowej. Stanowiło to pokłosie ich nieregularnych wzorów atomowych, ale przedstawiciele Uniwersytetu w Michigan postanowili wszystko zmienić.

Czytaj też: Jak odnaleźć cząstkę, której wyglądu nie znamy? Fizycy dowiedzieli się tego po 20 latach

Kluczem do sukcesu okazała się strategia, którą opisują w Nature Physics. Przeprowadzone symulacje doprowadziły członków zespołu badawczego do wniosku, że kwazikryształy są stabilnymi materiałami, choć wykazują podobieństwa do nieuporządkowanych ciał stałych pokroju szkła. To istotna informacja, ponieważ wiedza o prawidłowym układaniu atomów w celu utworzenia pożądanych struktur będzie istotna dla tworzenia materiałów przyszłości.

Kwazikryształy są znane nauce od ponad czterdziestu lat, lecz wciąż mają przed ekspertami masę tajemnic. Poświęcone im badania sugerują konieczność ponownego rozważenia tego, w jaki powstają materiały – a przede wszystkim, dlaczego się tak dzieje. Dotyczyło to również samych kwazikryształów, dlatego dokonany postęp jest tak ważny.

O tym, że kwazikryształy istnieją, wiemy oficjalnie od 1984 roku. Ale dlaczego tak się dzieje? Na to pytanie chcieli odpowiedzieć autorzy najnowszych badań

Zamieszanie wokół tej formy ciał stałych wynikało z ich pozornie regularnej struktury atomowej, która w rzeczywistości nie jest powtarzalna. Pomimo wieloletnich badań fizycy nie potrafili odpowiedzieć, jak powstają kwazikryształy, nawet pomimo tego, że znajduje się je również w meteorytach. 

W świetle najnowszych doniesień stojący za nimi naukowcy próbowali stwierdzić, czy stabilizacja kwazikryształów zachodzi przy udziale entalpii czy też entropii. W tym celu doprowadzili do wydobycia mniejszych nanocząstek z większego symulowanego bloku kwazikryształu. Później przeprowadzili obliczenia poświęcone całkowitej energii w każdej nanocząstce. 

Czytaj też: Zaskakujące zniekształcenia w kryształach. Japońscy fizycy dokonali intrygującego odkrycia

Należy podkreślić, że energia w nanocząstce jest związana z jej objętością i powierzchnią, dlatego poprzez powtarzanie obliczeń dla nanocząstek o rosnących rozmiarach pozwala na ekstrapolację całkowitej energii zawartej wewnątrz większego bloku kwazikryształu. W ostatecznym rozrachunku udało się ustalić, że dwa dobrze zbadane kwazikryształy są stabilizowane entalpią. W składzie pierwszego znajdował się stop skandu i cynku, podczas gdy drugiego: terb i kadm.