1912 年の結晶学の発見以来、多くの結晶とその幾何学的詳細が研究されてきましたが、準結晶ほど科学界に分断をもたらしたものはありません。それらの禁止された対称性と非周期的な配置は、私たちにまったく新しい材料の世界を開きました.
1982 年 4 月 8 日、イスラエルの科学者であるダン シェクトマンは、メリーランド州の国立標準局 (現在の NIST) の研究所で一人で働いていました。彼は、透過型電子顕微鏡 (TEM) で材料サンプルを調べていたときに、ありえないもの、信じられないほどのビジョン、生き物を見たのですか?
彼は観察したことを再検証するためにさまざまな手法を試しましたが、間違いはありませんでした。彼が発見した物質は、物理法則によって禁止されている特性を明確に示していました。
実際、彼は世界の物質に対する認識を永遠に変える何かに出くわしました。ダン・シェヒトマンは準結晶を発見しました— 禁忌。
より具体的には、彼は存在してはならない何かを発見しました…しかし存在します!
どうしてクリスタルじゃないの?
名前が示すように、それらは「ほぼ」結晶ですが、伝統的な意味では厳密にはそうではありません。 そうでない理由を理解する クリスタル、まずとは何かを知る必要があります クリスタル。
結晶とは、規則正しく周期的に原子が規則的に配列した物質です。それらは、単位セルとして知られる基本的な繰り返し構造の集合によって形成されます。ルービック キューブを単結晶として想像し、それらすべての小さな正方形を単位セルとして想像してください。
単位セルは 3 次元で繰り返され、結晶格子として知られるネットワークを形成します。この格子は、結晶の形状または形状を決定します。クリスタルとクリスタル システムの詳細については、ここをクリックしてください。
私たちのほとんどは、固体が結晶または非晶質粉末であることを知っていますが、それは準結晶が非晶質であることを意味しますか?いいえ、そうではないです。アモルファス材料では、原子または分子の配置は完全にランダムで不規則です。
準結晶材料では、原子または分子の配置は規則的で非周期的です。原子構造は、構造間に隙間がないように配置されていますが、パターンが繰り返されることはありません。構造はパターン全体で繰り返されますが、毎回まったく異なる向きになります。
最初に発見された準結晶物質は、凝固したアルミニウムとマンガン (10 ～ 14%) の合金でした。電子回折パターンは、正二十面体、材料の 5 回回転ジオメトリを明らかにしました。この禁止された結晶の対称性により、「不可能」というタグが付けられました。
(写真提供:Cyp /ウィキメディア・コモンズ
なぜ不可能だと考えられたのですか?
「禁止された対称性」、「順序付けられた」、「周期的」という言葉がテキストに現れ続けていることに気付いたでしょう。それは、これらの言葉が準結晶を特別なものにする本質を保持しているからです。この文脈でこれらの言葉が何を意味するかを理解するには、寸法と形状に注意を払う必要があります。
対称の形を「禁止」するものから始めましょう。異なる回転対称性を持つ 5 つの異なる形状のタイルがあると想像してください。 2) 3 回対称の三角形。 3) 4 回対称の正方形。 4) 5 回対称の五角形。 5) 6 回対称の六角形。
私たちの仕事は、これらの形で壁をタイル張りし、その間に隙間がないようにすることです.
(写真提供:Shutterstock &Wikimedia Commons)
形状 1、2、3、および 5 はタイル間に隙間なく簡単に配置できることがわかりますが、タイル 4 の五角形には当てはまりません。タイルをどのように回転させても、間に隙間を残さずにパックする方法はありません。角度が合わなかっただけです。
これが、5 回回転対称性または 6 より大きい任意の数を持つ分子または原子構造が結晶の形成に禁止されていると見なされた理由です。結晶には隙間なく充填できる形状が必要だからです。準結晶は、ペンローズ タイルと同様に、規則的ではあるが非周期的な配置でこの問題に取り組みます。
それでは、3 つの次元すべてにおいて、規則的、周期的、準周期的 (または非周期的) とは何を意味するのかを理解してみましょう。
ディメンションによる順序、周期性、準周期性
この背後にある数学は本当に魅力的です。構造は、より低い次元に投影されると周期性を失います。私たちがすべて棒人間である 2D の世界に住んでいた場合、NaCl 結晶の規則的で周期的な 3D 構造は非周期的であると見なされます。同様に、6D 世界のどこかで、準周期結晶は完全に規則正しく周期的であると見なされます。
正二十面体準結晶の電子回折パターン (写真提供:Paul Steinhardt/Wikimedia Commons)
回折パターンをよく見て、明るい点を接続しようとすると (画像に示されているように)、サイズの異なる 3 つの五角形が見つかります。これらの五角形のサイズは、黄金比またはフィボナッチ数列に従います。結局、すべてが接続されているようです!
何が違うの?
対称形だけでなく、結晶との違いを生む他の多くのパラメータが存在する可能性があります。そのうちの 1 つは、そのような準結晶がどのように成長するかです。
結晶の自己組織化または成長中に、原子は電話ゲームのように隣接する原子と相互作用します。 1 つのアトムは、結合を形成する方法と場所に関するメッセージを次のアトムに渡します。このテンプレートの成長により、通常のネットワークが生まれます。
しかし、ミシガン大学の Glotzer と Engels によって実行されたシミュレーションによると、準結晶の原子も互いに相互作用しますが、次の原子とは相互作用しません。それらは、それらから3原子離れたものと相互作用します。次に、各粒子が中心で核形成し、外側に向かって成長して、ペンローズ タイリングのような樹枝状の様式を作成します。
準周期性は非常に風変わりに聞こえますが、それほど珍しいことではありません。安定した準周期結晶でできている多くのアルミニウムおよびその他の金属合金があります。これらのほとんどは人工的に得られたものですが、科学者は宇宙から落ちた岩片から自然に発生する準結晶を 3 つ発見しました。ロシアの Khatyrka 隕石には、これまでに発見されたすべての天然 QC が含まれています。
なぜ準結晶が重要なのですか?
準結晶 (QC) は、独自の電子的、光学的、および機械的特性を持っています。 QC はそれ自体では脆いかもしれませんが、鋼を強化して鎧と同じくらい強くすることができます。ノンスティックで傷がつきにくいため、テフロンの代わりに調理器具のコーティングにも使用できます。それらは摩擦係数が低く、超流動 (速度がゼロから無視できる程度の流体) の合成に使用できます。
QC はカモフラージュ素材の改良にも使用できます。私たちが見るものは、光が体からどのように跳ね返るかによって異なります。正二十面体結晶内の原子の空間配置は、光を操作して物体の実際の物理的外観を隠すのに役立つ可能性があります。いつの日か、アベンジャーズの映画から姿を消したヘリキャリアが登場するかもしれません!
QC の発見により、「結晶」という用語の意味も再定義されました。 1994 年、国際結晶学者連合は、結晶を「本質的に個別の回折パターンを持つ固体」と定義しました。この再定義により、最終的に準周期結晶の余地が生まれました。
結論
準結晶が美しいのは、その複雑な微細構造だけでなく、発見者の頑固な努力にもあります。何年もの間、彼は科学界から懐疑的な見方をされていました。彼の最初の論文の多くは、出版ジャーナルによって拒否されました。彼の研究が 1984 年にようやく出版された後、科学界に波紋を引き起こしました。彼の研究を称賛する人もいれば、彼の発見について冷笑的な人もたくさんいました.
ライナス・ポーリングのような化学の著名人でさえ、「ダニー・シェクトマンはナンセンスなことを言っている。準結晶はなく、準科学者だけです。」ポーリングは亡くなる日まで、QC の存在を否定しようとしました。
ダン・シェクトマンの彼の研究への信頼は、科学者がさらに驚くべき不可能な物質の存在を発見するための新しくエキサイティングな扉を開きました。彼の発見により、彼は 2011 年のノーベル化学賞を受賞しました!
