На иллюстрации: Слева — зерно квазикристалла под пленкой и его дифракционное изображение. Справа — атомарная структура квазикристалла с 12-м порядком осевой симметрии. Линейный масштаб — 1 микрометр и 1 нанометр соответственно. Источник: Luca Bindi et al. / PNAS, 2022. Физики открыли новый способ создания квазикристаллов с помощью электрического разряда. Они нашли квазикристалл внутри образца из расплавленного электропровода и сплавившегося песка, который возник в результате удара молнии или обрыва линии электропередач. Ученые предполагают, что электрический метод синтеза не только позволит создавать высокосимметричные материалы, но и объясняет возникновение квазикристаллов в метеоритах. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Квазикристаллы — твердые тела, в которых в отличие от обычных кристаллов атомы или молекулы расположены не периодически, но при этом упорядочены и образуют сложную симметричную структуру. В кристалле можно выделить такой параллелепипед — элементарную ячейку, которая повторяется во всем объеме вещества. Квазикристаллы формируются из комбинации нескольких элементарных ячеек, поэтому имеют отличные от кристаллов и аморфных тел механические, электромагнитные и оптические свойства. Например, могут задерживать свет.
Помимо синтезированных квазикристаллов, ученые исследуют и природные фрагменты пород в поисках новых соединений и методов их получения. В 2016 году квазикристаллы, которые образовались вследствие ударной волны, физики нашли в метеорите Хатырка, а затем воспроизвели технологию экспериментально. Еще один потенциальный природный способ синтеза квазикристаллов — электрический разряд молнии или ЛЭП, создающий на короткий промежуток времени температуры плавления металлов и песка.
В поисках квазикристаллов группа физиков под руководством Пола Стейнхардта (Paul J. Steinhardt)из Принстонского университета исследовала фрагмент фульгурита, образованный электрическим разрядом и содержащий металлические вкрапления. При увеличении образца электронным микроскопами ученые обнаружили две квазикристаллические фазы, одна из которых имела симметрию 12-го порядка.
Исследуемый фульгурит — это спекшийся песок (SiO2), имеющий форму трубки. Он образовался в песчаной дюне в районе Сэндхиллс в штате Небраска из-за электрического разряда в 2008 году. Разряд создал температуру более 1710 градусов Цельсия, которая чуть выше температуры плавления песка. Внутри фульгурита физики заметили блестящий металлический фрагмент расплавленного электрокабеля, состоящий из алюминия с примесями.
Сверху изображен фульгурит. Область, обозначенная белым контуром увеличина на нижних изображениях. Справа — изображение области сканирующим электронным микроскопом. Линейный масштаб — 1 см. Luca Bindi et al. / PNAS, 2022
Однако внимание ученых привлек более яркий участок длиной полмиллиметра на границе металлического фрагмента и остальной трубки. Вырезав этот кусок и изучив его через электронные микроскопы, исследователи заметили две квазикристаллические фазы. Одна из них служит своего рода подложкой, на которой разбросаны микрометровые зернышки, имеющие немного отличный от нее химический состав, но при этом одинаковый у каждого зерна. Около 70 процентов обоих квазикристаллов составляет марганец, еще 15-20 процентов кремний, точный состав второй фазы — Mn72,3Si15,6Cr9,7Al1,8Ni0,6, где нижний индекс показывает процентные доли элемента в массе вещества.
Наиболее интересной оказалась зернистая фаза, потому что она обладала осевой симметрией 12-го порядка. Это означает, что, если изображение слоя атомов повернуть на 1/12 полного угла 360 градусов, оно совпадет с самим собой. Такая высокая степень симметрии встречается только в квазикристаллах, в обычных кристаллах она бывает только 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядка.
Физики отмечают, что квазикристалл образовался, скорее всего, из сердечника упавшего электропровода и окружающего песка, так как именно сердечник провода имеет наибольшую массовую долю марганца (более 0,5%) по сравнению с химическим составом песка и другими частями алюминиевых кабелей. При этом ученые не могут точно установить природу электроразряда, из-за которого возник образец. Квазикристалл могли создать удар молнии или разряд упавшей линии электропередач. За первый вариант говорит трубчатая форма фульгурита, за второй вариант — наличие в образце модификаций кварцевого песка, которые возникают только при длительном нагреве. Таким образом, остаются неясными условия синтеза квазикристалла — нужен ли короткий электрический импульс молнии, сопровождающийся резким повышения давления, или длительный электрический разряд провода при нормальном давлении.
Новый природный способ синтеза квазикристаллов в помощью электрического разряда довольно легко воссоздать в лаборатории. Ученые также отмечают, что наличие алюминия, как в найденном образце, так и некоторых метеоритных квазикристаллах, может свидетельствовать о электрической природе их возникновения.
Один из популярных способов синтеза квазикристаллов с помощью ударной волны. Физики нашли такие образцы даже на месте испытания ядерной бомбы.
Автор: Илья Бения
Источник: https://nplus1.ru/
