IMPERIJA HEMIJA

KVAZIKRISTAL IZ A BOMBE

Luca Bindi, Paul J. Steinhardt (Wikipedia)

U testiranju prve atomske bombe u Alamogordu, u Novom Meksiku, 16. jula 1945. stvoreni su nemogući kristali”, tzv. kvazikristali.

Prema istraživanju predstavljenom u časopisu Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS), tokom Triniti testa, koji je bio deo projekta Menhetn”, došlo je do spajanja okolnog peska, materijala iz opitnog tornja i bakrenih vodova u staklenasti materijal, leguru koja je po događaju nazvana trinitit.

Trostruko jedinstveno

Naučni tim sa više američkih univerziteta i laboratorija nedavno je u uzorcima crvenog trinitita prikupljenog na mestu eksplozije otkrio prisustvo dvadesetostranog kvazikristala, sastavljenog od silicijuma, bakra, kalcijuma i gvožđa Si61Cu30Ca7Fe2. Ovaj kvazikristal je najstariji poznati kvazikristal stvoren ljudskim delovanjem, prvi je s takvim sastavom elemenata, a posebno je zanimljivo to što su trenutak i mesto njegova nastanka, iako je nastao slučajno, dobro poznati.

Neobična svojstva

Kvaziperiodični kristali ili, kraće, kvazikristali su lvrste tvari čije se atomske strukture, za razliku od onih u uobičajenim kristalima, ne ponavljaju na regularan način sličan strukturama izgrađenim od cigli. Njihova je struktura uređena, ali nije periodična, u smislu da se ponavlja na neki regularan način.

Aperiodični mozaici, poput onih koji se nalaze u srednjovekovnim islamskim mozaicima palate Alhambra u Španiji, pomogli su naučnicima da shvate kako kvazikristali izgledaju na atomskom nivou. U tim mozaicima, kao i u kvazikristalima, obrasci su pravilni – slede matematička pravila – ali se nikada ne ponavljaju. Dok obične kristalne strukture izgledaju identično kada se translatiraju, odnosno pomaknu po određenim smerovima, kvazikristali imaju simetrije koje su se nekad smatrale nemogućima.

Kvazikristalni uzorak može kontinuirano ispunjavati sav raspoloživi prostor, ali mu nedostaje translacijska simetrija. Zanimljiva odlika takvih uzoraka jeste da se matematička konstanta, poznata kao grčko slovo tau, ili zlatni presek”, u njima javlja iznova i iznova. Primerice, neki kvazikristali imaju pentagonalnu simetriju pa izgledaju isto ako se okrenu oko bilo koje ose rotacije za petinu punog kruga, što je inače svojstvo dvadesetostranog tela, ikosaedra.

Svojstva im se bitno razlikuju od svojstava klasičnih kristala. Uprkos tome što su metali, slabi su provodnici električne struje i toplotee, a takođe su i tvrdi i krti. Nakon otkrića njihovih zanimljivih svojstava počeli su se laboratorijski proizvoditi. Među ostalim, koriste se u superizdržljivim vrstama čelika, za izradu slojeva u tavama za prženje i u posebnim uređajima za emisiju svetla, primerice kao emitirajuće površine u LED diodama.

Otkriće nemogućih

Prvi ih je otkrio izraelski naučnik Danijel Šektman, za šta je 1996. dobio Nobelovu nagradu. On je još 1982. u veštački stvorenoj leguri otkrio dvadesetostrani kristal u kojem su atomi bili spojeni u uzorak koji je nemoguće ponoviti. Do tada su naučnici mislili da atomski obrasci u kristalima moraju biti simetrični i da se moraju ponavljati (ilustracija dole).To otkriće je kvazikristale predstavilo kao očaravajuće arapske mozaike reprodukovane na nivou atoma koji se nikada ne ponavljaju”, pojasnio je Odbor za dodelu Nobelove nagrade u komentaru svoje odluke. Šektman je 2013. godine posetio Hrvatsku, održao nekoliko predavanja i dao intervju autoru ovih redaka na temu Kako Hrvatska pomoću nauke može postati obećana zemlja”.

Otprilike u isto vreme teorijski fizičar Pol Stajnhard i saradnici počeli su istraživati mogućnost postojanja trodimenzionalnih struktura koje se ne ponavljaju. One su imale istu simetriju kao ikosaedar, telo s dvadeset površi, no bili su sastavljeni od nekoliko različitih vrsta gradivnih blokova koji se nikada nisu ponovili u istom uzorku.

Matematičar i fizičar Rodžer Penrouz i neki drugi naučnici pre toga su otkrili analogne uzorke u dve dimenzije, koji se nazivaju Penrouzovim popločavanjem. Nakon otkrića 2011. naučnici su sintetisali mnoge vrste kvazikristala, proširujući raspon mogućih zabranjenih simetrija.

Ekstremno stvaranje

Pol Stajnhard i kolege kasnije su pronašli prvi ikosahedrit u prirodi u fragmentima meteorita nađenog u istočnom Sibiru u Rusiji. Pretpostavili su da je meteorit nastao u sudaru dva asteroida u ranom Sunčevom sistemu. Neki od veštački napravljenih kvazikristala takođe su stvoreni sudaranjem materijala velikim brzinama, pa su se Stajnhard i njegov tim pitali da li bi udarni talasi nuklearnih eksplozija takođe mogli stvarati kvazikristale.

U eksperimetntu Triniti 1945. na tornju visokom 30-ak metara detonirana je plutonijumska nuklearna bomba. Toranj je bio opremljen senzorima i kablovima. U eksploziji je stvoren staklasti materijal koji su naučnici nazvali trinitit. Kvazikristali se često sastoje od materijala koji se uobičajeno ne kombinuju zajedno.

Poput većine poznatih kvazikristala, čini se da je i struktura trinitita legura – materijal sličan metalu koji se sastoji od pozitivnih jona u moru elektrona. To je neobično za silicijum, koji se obično javlja u stenama u oksidisanom obliku: obrtanje oksidacije zahtevalo bi ekstremne uslove, poput jake toplote i pritiska udarnog talasa, rekao je za Nature Linkoln Holister, geoznaučnik Prinstona.

Otkriće u trinititu

Nakon 10 meseci pomnog istraživanja crvenog trinitita, Stajnhard i saradnici otkrili su malo zrno kvazikristala ikosaedrične simetrije poput one u Šektmanovom izvornom otkriću.Dominacija silicija u njegovoj strukturi prilično je posebna”, rekla je za Nature Valerija Molinero, teorijska hemičarka sa Univerziteta Juta u Solt Lejk Sitiju.Međutim, nakon što su u laboratoriji sintetisani mnogi kvazikristali, ono što mi se čini zaista intrigantnim jeste to što su tako retki u prirodi.

Stajnhard smatra da bi razlog tome mogla biti činjenica da stvaranje kvazikristala uključuje neobične kombinacije elemenata i neobične rasporede” koji u prirodi mogu nastati samo u ekstremnim uslovima. Zbog takvih svojstava oni bi se mogli koristiti za svojevrsnu nuklearnu forenzičku nauku jer bi mogli otkrivati mesta na kojima se dogodilo tajno nuklearno ispitivanje. Kvazikristali se mogu stvarati i u drugim materijalima koji su nastali u ekstremnim uslovima, poput fulgurita, koji nastaje prilikom udara groma u stene, pesak ili druge sedimente.

(Izvor Indeks)

O autoru

Stanko

Ostavite komentar