Плитки Пенроуза (мозаика Пенроуза) — наглядный пример структуры, которая упорядочена, но не повторяется

В июле 1945 года впервые испытали атомную бомбу. Прогремевший взрыв был эквивалентен 21 килотонне тротила и разрушил все вокруг. На месте взрыва сплавились кварц и полевой шпат. Полученный стекловидный минерал зеленого цвета назвали тринититом. Вместе с ним на месте испытаний нашли и некие кристаллические структуры красного цвета. Сейчас ученые из Италии и США опубликовали работу, в которой заявили, что найденное соединение — Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂, со структурой икосаэдра, — можно смело назвать квазикристаллом. Как правило, подобные структуры обнаруживают в метеоритах или получают синтетическим путем. Найденный квазикристалл является первым из созданных руками человека.

Почему квази?

Для начала разберемся, что такое квазикристалл. Нормальные кристаллы состоят из атомов, «упакованных» в кристаллическую решетку с четкой структурой. Они напоминают детальки трехмерного паркета, симметрично уложенного одинаковыми блоками. Так вот у квазикристаллов повторяемость блоков отсутствует, хотя есть упорядоченная структура как у нормального кристалла. Другими словами, упорядоченная структура квазикристаллов — не периодическая.

Изначально далеко не все ученые считали возможным существование квазикристаллов, но в итоге научное сообщество приняло эту идею, и подобные структуры стали изучать. Как оказалось, из-за отличий структуры квазикристаллов от структуры обычных кристаллов «квази» могут обладать уникальными свойствами. Поэтому исследование этих структур особенно интересно ученым.

В весьма специфических лабораторных условиях квазикристаллы впервые синтезировали в 80-х годах прошлого века. И после открытия считали, что их можно получить лишь путем быстрого охлаждения определенных сплавов и спеканием с порошком при строго заданном интервале температур. Предполагается, что образование квазикристаллических структур в природе не происходит само по себе.

Сейчас ученые не отрицают, что в местах испытаний других атомных бомб также можно обнаружить новые квазикристаллы.

Как нашли необычный кристалл

Образец тринитита

Обнаружение американскими и итальянскими учеными квазикристалла в составе красного тринитита особенно неожиданно и важно для исследований будущего. Красный тринитит похож по свойствам на зеленый. Минерал приобрел красный окрас за счет входящего в его состав оксида меди. Вещество также образовалось из сплава кварца, полевого шпата и других примесей во время взрыва атомной бомбы на полигоне в Аламогордо. Но, в отличие от зеленого тринитита, красный описан и изучен намного меньше.

В ходе лабораторных исследований ученые выяснили, что в состав минерала входит квазикристалл с химической формулой — Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂. Этот кристалл имеет икосаэдрическую структуру. Он содержит оси симметрии пятого, третьего и второго порядка. На данный момент это единственный кристалл с подобной структурой и формулой, синтезированный вне лаборатории.

Не только в лабораториях

В природе квазикристаллы ранее все же встречались, но только в метеоритах. Например, похожий квазикристалл обнаружен во фрагментах метеорита «Хатырка». Этому метеориту больше нескольких сотен миллионов лет.

Исследователи детально разобрали состав кристалла. Они выяснили, что данные изотопного состава характерны для условий, существовавших в первые секунды в 50-60 метрах от эпицентра ядерного взрыва. Специалисты предполагают, что температура в этом месте во время взрыва составляла около 1,5 тыс. градусов, а давление — от 50 тыс. до 80 тыс. атмосфер.

Изучение свойств новых веществ помогает ученым все глубже погружаться в загадки и открывать тайны Вселенной.