Redakcja:  Czym są kwazikryształy i za co w 2011 r. przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii?

Prof. Krzysztof Woźniak: Quasi-kryształy to prawie kryształy. Praktycznie każde ciało stałe jest kryształem z wyjątkiem tego, co rozumiemy przez kryształy potocznie. Potocznie nazywamy kryształami np. wazony stojące u cioci na kredensie, a one akurat kryształami nie są. Nie charakteryzują się cechami, jakie kryształy muszą posiadać. Taką cechą jest przede wszystkim regularna periodyczna budowa wewnętrzna, wynikająca z bardzo dużego uporządkowania wewnętrznego. Ta budowa polega na tym, że najmniejszą komórkę kryształu stanowi fragment, który nazywamy komórką elementarną i całą strukturę kryształu uzyskujemy poprzez przesunięcie tej komórki o różnego rodzaju wektory w trzech wymiarach. Możemy sobie wyobrazić, że kryształ to ciało stałe składające się z najmniejszych komórek elementarnych, które tworzą nam uporządkowaną trójwymiarową strukturę, charakteryzującą się w ten sposób uporządkowaniem dalekiego zasięgu.

Drugą cechą, którą posiadają kryształy z punktu widzenia makroskopowego jest symetria. Symetria, czyli możliwość przekształcenia obiektu krystalicznego w ten sam obiekt za pomocą operacji, takich jak odbicie względem punktu, obrót względem prostej czy odbicie względem płaszczyzny. W ramach operacji symetrii, które mogą wystąpić w kryształach okazało się, że jeżeli myślimy o budowie wewnętrznej kryształów, pewne operacje symetrii są niespotykane w takich periodycznych, trójwymiarowych kryształach. Te operacje to brak osi pięciokrotnej i osi wyższych niż sześciokrotna. Elementy symetrii, które pojawiają się w takich sieciach w kryształach mają charakter globalny. Dotyczą całej sieci, którą traktujemy jako sieć nieskończoną. W przypadku kwazikryształów okazało się natomiast, że te zabronione elementy symetrii pojawiają się w ich strukturze.

To był wielki intelektualny szok, najpierw dla odkrywcy kwazikryształów Dana Shechtmana, a następnie dla środowiska krystalografów na świecie i generalnie środowiska naukowców, chemików, fizyków. Matematycznie w bardzo prosty sposób można pokazać, że w układach periodycznych występowanie osi pięciokrotnej i wyższych jest niemożliwe. W związku z tym, jeżeli one pojawiają się w kwazikryształach, to po prostu oznacza, że warunek periodyczności nie jest spełniony. W kwazikryształach występuje uporządkowanie bliskiego zasięgu, które dopuszcza występowanie tych zabronionych osi, nie występuje natomiast periodyczność sieci, czyli brakuje nam tego porządku dalekozasięgowego.

To było wielkie, wspaniałe odkrycie, ponieważ uważano, że w krystalografii wszystko jest już znane. Wydawało się, że dzięki pracom teoretycznym oraz eksperymentalnym, dzięki rozwojowi metod dyfrakcyjnych, badań rentgenowskich, neutronowych, które zapoczątkowane zostały mniej więcej na początku XX wieku nic już nie da się odkryć. Braggowie wykazali, że można powiązać obraz dyfrakcyjny z budową wewnętrzną kryształów i mniej więcej do roku 1925 wyznaczyli strukturę około 400 minerałów. Od tamtego czasu metody dyfrakcyjne stały się powszechnym narzędziem pozwalającym nam badać strukturę wewnętrzną ciała stałego do tego stopnia, że obecnie znamy strukturę 1 400 000 kryształów.

Wydawało się więc, że w krystalografii nic nowego nie może zostać odkryte. Tymczasem około roku 1982 Dan Shechtman udał się do Stanów Zjednoczonych, do znajomego profesora, który zaproponował mu zrobienie małego projektu dotyczącego właściwości stopów glinu i manganu. Shechtman powiedział kiedyś podczas europejskiej konferencji krystalograficznej, że było to nudne, ponieważ należało badać drobne domieszki i stwierdził wtedy, że zrobi to inaczej, po swojemu. Zaproponował zrobienie stopów, które miałyby 5, 10, 15, 20, 25, 30 i na tej zasadzie regularnie zwiększającą się liczbę procent manganu. W czasie badań tych stopów okazało się, że w jednym przypadku, gdy stosunek glinu do manganu wynosił 75 do 25, Shechtman widział pod mikroskopem elektronowym ciemniejsze kropki. Te obszary go zaintrygowały. Dla tych obszarów troszeczkę zmienił formę użycia mikroskopu i zarejestrował na nich jakby obraz dyfrakcji elektronów, po czym ze zdziwieniem stwierdził, że dostrzega oś dziesięciokrotną. 8 kwietnia 1982 r. zapisał w swoim notatniku słowa: „Oś dziesięciokrotna!”

Shechtman był tym zafascynowany, popatrzył na inne kropki, zrobił zdjęcia, a następnie pokazał to profesorowi, u którego przebywał. Ten również zaintrygowany powiedział mu „Dan, te związki chcą nam coś powiedzieć, dowiedz się, co one chcą nam powiedzieć”. Shechtman przygotował publikację, którą najpierw wysłał do całkiem znanego czasopisma, ale ono niestety ją odrzuciło. Próbował następnie gdzie indziej, również bezskutecznie, aż w końcu opublikował pracę w zupełnie nieważnym, małym czasopiśmie, które jednak zaakceptowało pracę. Była to pierwsza praca, w której przyszły noblista pokazywał na zdjęciach obecność tych zabronionych symetrii.

Oglądaj całość