kristal
© Luca Bindi, Paul J. Steinhardt
Utvrđeno je da ovaj uzorak crvenog trinitita sadrži prethodno nepoznatu vrstu kvazikristala
U testiranju prve atomske bombe u Alamogordu, u Novom Meksiku, 16. srpnja 1945. stvoreni su "nemogući kristali", tzv. kvazikristali.

Prema istraživanju predstavljenom u časopisu Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS), tijekom Trinity testa, koji je bio dio projekta Manhattan, došlo je do spajanja okolnog pijeska, materijala iz pokusnog tornja i bakrenih vodova u staklenasti materijal, slitinu koja je po događaju nazvana trinitit.

Jedinstven kristal jedinstvene legure i jedinstvene povijesti

Znanstveni tim iz više američkih sveučilišta i laboratorija nedavno je u uzorcima crvenog trinitita prikupljenog na mjestu eksplozije otkrio prisutnost dvadesetostranog kvazikristala sastavljenog od silicija, bakra, kalcija i željeza - Si61Cu30Ca7Fe2. Ovaj kvazikristal je najstariji poznati kvazikristal stvoren ljudskim djelovanjem, prvi je s takvim sastavom elemenata, a posebno je zanimljivo to što su trenutak i mjesto njegova nastanka, iako je nastao slučajno, dobro poznati.


Neobična svojstva "nemogućih kristala"

Kvaziperiodični kristali ili, kraće, kvazikristali su krutine 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 srednjovjekovnim islamskim mozaicima palače Alhambra u Španjolskoj, pomogli su znanstvenicima da shvate kako kvazikristali izgledaju na atomskoj razini. U tim mozaicima, kao i u kvazikristalima, obrasci su pravilni - slijede matematička pravila - ali se nikada ne ponavljaju. Dok obične kristalne strukture izgledaju identično kada se translatiraju, odnosno pomaknu po određenim smjerovima, kvazikristali imaju simetrije koje su se nekad smatrale nemogućima.

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

Svojstva im se bitno razlikuju od svojstava klasičnih kristala. Unatoč tome što su metali, slabi su vodiči električne struje i topline, a također 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 te u posebnim uređajima za emisiju svjetla, primjerice kao emitirajuće površine u LED-icama.

Otkriće "nemogućih kristala"

Prvi ih je otkrio izraelski znanstvenik Daniel Shechtman, za što je 1996. dobio Nobelovu nagradu. On je još 1982. u umjetno stvorenoj slitini otkrio dvadesetostrani kristal u kojem su atomi bili spojeni u uzorak koji je nemoguće ponoviti. Do tada su znanstvenici mislili da atomski obrasci u kristalima moraju biti simetrični i da se moraju ponavljati (ilustracija dolje).

"To otkriće je kvazikristale predstavilo kao očaravajuće arapske mozaike reproducirane na razini atoma koji se nikada ne ponavljaju", pojasnio je Odbor za dodjelu Nobelove nagrade u komentaru svoje odluke o dodjeli.

Shechtman je 2013. godine posjetio Hrvatsku, održao nekoliko predavanja i dao intervju autoru ovih redaka na temu "Kako Hrvatska pomoću znanosti može postati 'obećana zemlja'".

Otprilike u isto vrijeme teorijski fizičar Paul J. Steinhardt i njegovi suradnici počeli su istraživati mogućnost postojanja trodimenzionalnih struktura koje se ne ponavljaju. One su imale istu simetriju kao ikosaedar, tijelo s dvadeset ploha, no bili su sastavljeni od nekoliko različitih vrsta gradivnih blokova koji se nikada nisu ponovili u istom uzorku.

Matematičar i fizičar Roger Penrose i neki drugi znanstvenici prije toga su otkrili analogne uzorke u dvije dimenzije, koji se nazivaju Penroseovim poploćenjem.

Nakon otkrića 2011. znanstvenici su sintetizirali mnoge vrste kvazikristala, proširujući raspon mogućih zabranjenih simetrija.

Stvaranje u ekstremnim uvjetima - sudarima asteroida i velikim eksplozijama

Steinhardt i njegovi kolege kasnije su pronašli prvi ikosahedrit u prirodi u fragmentima meteorita pronađenog u istočnom Sibiru u Rusiji. Pretpostavili su da je meteorit nastao u sudaru dvaju asteroida u ranom Sunčevom sustavu. Neki od umjetno napravljenih kvazikristala također su stvoreni sudaranjem materijala velikim brzinama pa su se Steinhardt i njegov tim pitali bi li udarni valovi nuklearnih eksplozija također mogli stvarati kvazikristale.

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

Poput većine poznatih kvazikristala, čini se da je i struktura trinitita legura - materijal sličan metalu koji se sastoji od pozitivnih iona u moru elektrona. To je neobično za silicij, koji se obično javlja u stijenama u oksidiranom obliku: obrtanje oksidacije zahtijevalo bi ekstremne uvjete, poput jake topline i pritiska udarnog vala, rekao je za Nature Lincoln Hollister, geoznanstvenik s Princetona.

Otkriće u trinititu

Nakon 10 mjeseci pomnog istraživanja crvenog trinitita Steinhardt i njegovi suradnici otkrili su malo zrno kvazikristala ikosaedrične simetrije poput one u Shechtmanovom izvornom otkriću.

"Dominacija silicija u njegovoj strukturi prilično je posebna", rekla je za Nature Valeria Molinero, teorijska kemičarka sa Sveučilišta Utah u Salt Lake Cityju.

"Međutim, nakon što su u laboratoriju sintetizirani mnogi kvazikristali, ono što mi se čini zaista intrigantnim je to što su tako rijetki u prirodi", dodala je.

Steinhardt 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 uvjetima. Zbog takvih svojstava oni bi se mogli koristiti za svojevrsnu nuklearnu forenzičku znanost jer bi mogli otkrivati mjesta na kojima se dogodilo tajno nuklearno ispitivanje.

Kvazikristali se mogu stvarati i u drugim materijalima koji su nastali u ekstremnim uvjetima, poput fulgurita, koji nastaje prilikom udara groma u stijene, pijesak ili druge sedimente.