Представьте себе мозаику, где узоры подчиняются определенным правилам, но никогда не повторяются в точности. Это аналогия квазикристаллической структуры.

Квазикристаллы — это твердые тела, которые обладают упорядоченной структурой, но эта упорядоченность не является периодической, как в обычных кристаллах. В отличие от кристаллов, чьи элементарные ячейки повторяются в трехмерном пространстве, квазикристаллы имеют дальний порядок, но не трансляционную симметрию. Это означает, что их атомы расположены в определенном порядке, но этот порядок не повторяется периодически в любом направлении.

Открытие квазикристаллов — это не просто научный прорыв, это настоящая детективная история, полная неожиданностей, скептицизма и, в конечном итоге, триумфа научного любопытства. Это рассказ о том, как один ученый, вооружившись упорством и вниманием к деталям, изменил наше понимание фундаментальных свойств материи.

Все началось в 1982 году в Национальном бюро стандартов США (ныне NIST) с израильского ученого Даниэля Шехтмана. Работая с образцами сплава алюминия и марганца, Шехтман проводил стандартные дифракционные эксперименты, просвечивая образцы электронным лучом. Что-то пошло не так. Обычно при дифракции от кристаллов получаются четкие, повторяющиеся узоры, указывающие на регулярную, периодическую структуру. Но в случае с сплавом Шехтмана узор был совсем иным.

Наблюдаемая дифракционная картина имела пятна с отчетливой пятикратной симметрией. Это было невероятно! В мире кристаллографии существовало строгое правило: кристаллические структуры могут иметь только 2-, 3-, 4- или 6-кратную симметрию. Пятикратная симметрия была «запрещена» законами периодичности, лежащими в основе кристаллических решеток. Она считалась математически невозможной для твердых тел.

Шехтман понимал, что он увидел что-то необычное, но он также знал, что идет вразрез с устоявшимися научными представлениями. Он тщательно перепроверял свои результаты, опасаясь ошибки. Но электронный микроскоп не врал —пятикратная симметрия была очевидна.

Тем не менее, коллеги встретили его открытие с большим скептицизмом, а некоторые даже с насмешкой. Шехтман вспоминал, как один из известных кристаллографов, Лайнус Полинг, сказал ему: «Дэн, нет таких вещей, как квазикристаллы. Нет никаких квазикристаллов. Есть только квазиучёные». Считалось, что пятикратная симметрия — это дефект, искажение кристаллической решетки.

Шехтман вспоминает, что его даже попросили покинуть свою исследовательскую группу из-за «упрямого» следования неортодоксальной идее. Но он не сдавался. Он был убежден, что то, что он обнаружил, было не артефактом, а новым типом материала.

Чтобы понять структуру, Шехтман начал изучать математику, особенно концепции непериодических мозаик. Он натолкнулся на работы математика Роджера Пенроуза, который создал апериодические мозаики, состоящие из ромбов, которые никогда не повторяются, но при этом могут заполнить плоскость. Эти мозаики как бы намекали на возможность непериодического, но упорядоченного расположения атомов.

В конце 80-х годов математики Дов Левин и Пол Стейнхардт смогли предложить математическую модель, которая объяснила дифракционную картину, наблюдаемую Шехтманом. Она показала, что пятикратная симметрия действительно может существовать в материалах, но не в виде периодических кристаллов, а как новый тип структуры — квазикристаллы.

Постепенно, с появлением новых экспериментальных данных, научное сообщество начало осознавать, что Шехтман действительно открыл новый класс материалов. Стали появляться все новые и новые образцы квазикристаллов, подтверждая, что это не исключение, а новое состояние материи.

В 2011 году Даниэль Шехтман был удостоен Нобелевской премии по химии «за открытие квазикристаллов». Это стало триумфом научного любопытства и упорства перед лицом скептицизма. Нобелевский комитет отметил, что открытие Шехтмана «изменило фундаментальное понимание того, как материя может быть организована».

Открытие квазикристаллов стало не только прорывом в материаловедении, но и показало, насколько важно сохранять открытость к новым идеям, даже если они противоречат устоявшимся представлениям. Это история о том, как важно следовать за своей интуицией и не бояться задавать вопросы, даже если на них нет простых ответов.

Сегодня квазикристаллы — это активно исследуемая область науки, которая продолжает преподносить сюрпризы и открывать новые горизонты. Их уникальные свойства делают их перспективными для различных применений, и, возможно, мы только начинаем понимать весь их потенциал.