Kosmiczne kwazikryształy na Ziemi

Do niedawna kwazikryształy powstawały jedynie w laboratoriach albo przybywały do nas z kosmosu na meteorytach. Od niedawna już wiadomo, że mogą się tworzyć także na Ziemi. Naukowcy odkryli kwazikryształy w pozostałościach testu bombowego z 1945 roku.

Budowa kryształów

Na poziomie budowy cząsteczkowej kryształy wyglądają jak budowla z klocków. Pewne ułożenie atomów lub cząsteczek powtarza się regularnie w przestrzeni. Można je wpisać w wielościany, którymi wypełnia się przestrzeń układając jedne na drugich. Po przesunięciu w każdym z trzech wymiarów kryształ wygląda tak samo. Przez długi czas wydawało się, że ciało może być albo kryształem, albo mieć strukturę nieuporządkowaną.

Naukowe trzęsienie ziemi i kwazikryształ

Problem pojawił się w 1984 roku. Wtedy to Dan Szechtman, izraelski naukowiec, zajmował się badaniem stopu glinu z manganem. Stop gwałtownie schłodzony wglądał, jakby skrystalizował. Pomiary pokazały jednak, że powstałe ciało miało pięciokrotną oś symetrii, co według ówczesnej wiedzy nie było możliwe. Z jednej strony atomy były uporządkowane, a z drugiej symetria tej materii była zupełnie nieprawdopodobna, niemożliwe jest występowanie okresowej struktury trójwymiarowej z taką symetrią.

Odkrycie to wywołało niemałe zamieszanie w świecie nauki i z początku wiele osób w nie wątpiło. Dziwny kryształ zaczęto określać mianem kwazikryształu (niby kryształu). Na szczęście naukowiec nie poddał się opinii publicznej i potwierdził swoje wyniki wytwarzając podobną strukturę w laboratorium. Koniec końców Szechtman otrzymał w 2011 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

Kwazikryształy – co o nich wiemy?

Kwazikryształy to ciało stałe, które w pewien sposób przypomina kryształ, ponieważ ma uporządkowaną strukturę. Problem w tym, że jest ona zupełnie nieperiodyczna i nie da się w niej wyróżnić komórki elementarnej. Cegiełki budujące strukturę kwazikryształu nie układają się w powtarzalny wzór. Zauważono w nich symetrię, którą kiedyś uważano za niemożliwą, na przykład pentagonalną, wyglądają tak samo po obrocie o jedną piątą kąta pełnego.

W kolejnych latach inżynierowie materiałowi syntezowali wiele rodzajów kwazikryształów, które miały inne rodzaje zabronionych symetrii. Ludzi ciekawiło również, czy zdarzają się naturalnie występujące ich okazy. Nie wiadomo było, czy taka struktura jest na tyle stabilna, by w przyrodzie przetrwać. Steinhardt odkrył później naturalnie występujący kwazikryształ o symetrii dekagonalnej we fragmentach meteorytu odnalezionego na Syberii. Miał on ponad 4,5 miliarda lat, a obecne na nim kwazikryształy prawdopodobnie również tyle samo. Być może powstały one podczas zderzenia dwóch asteroid we wczesnym Układzie Słonecznym. Jedną z metod otrzymywania kwazikryształów w laboratorium było zderzanie ze sobą materiałów z dużą prędkością, dlatego naukowcy wpadli na pomysł sprawdzenia, czy fale uderzeniowe pochodzące z eksplozji nuklearnych mogłyby również wytworzyć kwazikryształy.

Matematyczne rozważania

W mniej więcej tym samym czasie Paul Steinhardt, fizyk teoretyk, wraz ze współpracownikami rozpoczął rozważania teoretyczne nad możliwym istnieniem nie powtarzających się struktur 3D. Fizyk i matematyk Roger Penrose, obecnie z Uniwersytetu Oksfordzkiego i inni badacze poprzednio opracowali taki układ w dwóch wymiarach. Układ złożony z dwóch rodzajów rombów, które szczelnie wypełniały płaszczyznę, ale nie powtarzały się okresowo nazwano parkietażem Penrose`a. Odkrycie kwazikryształów rozwinęło badania struktur nieokresowych.

Odkrycie kwazikryształów i test bombowy

Ekstremalne warunki potrzebne do stworzenia kwazikryształów skłoniły badaczy do poszukiwania ich tam, gdzie w przeszłości było naprawdę gorąco. I rzeczywiście, naukowcy odkryli kwazikryształy w pozostałościach po teście bombowym z 16 lipca 1945 roku. Wtedy to Stany Zjednoczone przeprowadziły pierwszą detonację bomby plutonowej. Ładunek zdetonowano na piaszczystym poligonie ze specjalnie w tym celu zbudowanej 30-metrowej wieży. Wybuch utworzył kilkudziesięciometrowy krater i spowodował całkowite stopienie piasku, który utworzył zielonkawy szklanopodobny materiał nazwany trynitytem. Powstałe w nim czerwonawe wtrącenia pochodziły od miedzi z przewodów łączących wieżę z aparaturą nagrywającą.

Miesiącami naukowcy kroili próbkę, aż udało im się znaleźć malutkie ziarenko kwazikryształu o symetrii jak w oryginalnym odkryciu Shetchmana. Poprzednio nieznana struktura złożona z żelaza, krzemu, miedzi i wapnia prawdopodobnie uformowała się reakcji odparowanego piasku i kabli miedzianych. Podobne materiały zostały wytworzone w laboratorium i odnalezione na meteorytach, ale ten konkretny jest pierwszym przykładem kwazikryształu łączącego w sobie tę kombinację pierwiastków.

Kwazikryształy – zastosowanie

Naukowcy spekulują, że kwazikryształy przydałyby się na przykład w kryminalistyce nuklearnej, ponieważ mogą ujawniać miejsca przeprowadzenia ukrytych prób jądrowych. Kwazikryształy mogą powstawać też w innych ekstremalnych sytuacjach, na przykład tam, gdzie piorun uderza w kamień, piasek.

Przeczytaj też: Czy w kosmosie można znaleźć czterolistne koniczynki?

Autor

Kamila Rajfur

Fascynują mnie przede wszystkim najnowsze osiągnięcia z dziedziny nanotechnologii, ale ze zdumieniem dziecka obserwuję też odkrycia naukowe z innych dziedzin. Ukończyłam kierunek Fizyka Techniczna na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki na Politechnice Wrocławskiej. Uwielbiam żeglować, szczególnie pod wiatr oraz odkrywać Polskę po kawałku. Z zajęć domowych wygrywają książki i puzzle.

Więcej od tego autora