Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Квазикристаллы представляют собой уникальную форму организации материи, которая кардинально изменила наше понимание структуры твердых тел. Эти материалы характеризуются апериодическим дальним порядком и симметрией, запрещенной в классической кристаллографии.
Основные отличительные характеристики квазикристаллов включают наличие дальнего ориентационного порядка при отсутствии трансляционной периодичности. В отличие от обычных кристаллов, которые могут иметь только 2-, 3-, 4- и 6-кратные оси симметрии, квазикристаллы обладают запрещенными осями симметрии 5-го, 8-го, 10-го, 12-го и других порядков.
Структура квазикристаллов тесно связана с золотым сечением - иррациональным числом φ, которое определяет соотношения между различными структурными элементами. Это математическое соотношение обеспечивает стабильность апериодической структуры.
Открытие квазикристаллов стало одним из наиболее значимых событий в физике твердого тела XX века. 8 апреля 1982 года израильский ученый Дан Шехтман, работавший в Национальном институте стандартов и технологий США, проводил эксперименты по дифракции электронов на быстроохлажденном сплаве алюминия с марганцем (Al₆Mn).
Полученная дифракционная картина содержала резкие Брэгговские пики, характерные для кристаллов, но при этом обладала точечной симметрией икосаэдра с осью симметрии пятого порядка. Это явление противоречило всем известным законам кристаллографии, согласно которым такая симметрия была физически невозможна.
Открытие встретило серьезное сопротивление научного сообщества. Дважды нобелевский лауреат Лайнус Полинг категорически отверг результаты, заявив: "Не существует никаких квазикристаллов, есть только квазинаучные исследования". Однако дальнейшие эксперименты подтвердили реальность этого нового состояния материи.
В 2011 году, через 29 лет после открытия, Дан Шехтман был удостоен Нобелевской премии по химии "за открытие квазикристаллов". К этому времени было обнаружено множество различных квазикристаллических сплавов в различных системах металлов.
Понимание структуры квазикристаллов стало возможным благодаря развитию математической теории апериодических мозаик. Наиболее известной моделью является мозаика Пенроуза, разработанная британским математиком Роджером Пенроузом за 10 лет до открытия квазикристаллов.
Структура квазикристаллов описывается с помощью проекций из многомерных периодических структур. Для трехмерного икосаэдрического квазикристалла используется шестимерная периодическая решетка, из которой выделяется трехмерное подпространство, ориентированное иррациональным образом к исходной решетке.
Общепринятый способ описания квазикристаллических структур основан на том факте, что точечная симметрия, запрещенная для кристаллической решетки в трехмерном пространстве, может быть разрешена в пространстве большей размерности. Атомы в квазикристалле располагаются в местах пересечения физического подпространства с периодически расположенными многообразиями высшей размерности.
Рост квазикристаллов происходит по уникальному механизму, который Роджер Пенроуз назвал "нелокальным". В процессе роста одновременно наращиваются целые группы частиц, которые "согласовывают" свое расположение на больших расстояниях. Это создает впечатление, что удаленные структурные элементы "договариваются" о взаимном размещении.
Физические свойства квазикристаллов кардинально отличаются от свойств как обычных кристаллов, так и аморфных материалов. Эти отличия обусловлены уникальной апериодической структурой и связанными с ней электронными свойствами.
Электрическое сопротивление квазикристаллов демонстрирует аномальное поведение. В отличие от металлов, где сопротивление увеличивается с температурой, в квазикристаллах при низких температурах сопротивление аномально велико и уменьшается с ростом температуры. Это поведение характерно для полупроводников или диэлектриков, хотя квазикристаллы состоят из металлических элементов.
Большинство квазикристаллических сплавов являются диамагнетиками, что означает их слабое отталкивание от магнитного поля. Исключение составляют сплавы, содержащие марганец, которые проявляют парамагнитные свойства. Это связано с особенностями электронной структуры и локальных магнитных моментов атомов марганца.
Упругие свойства квазикристаллов ближе к свойствам аморфных материалов, чем кристаллических. Упругие модули квазикристаллов значительно ниже, чем у близких по составу кристаллических фаз. Одновременно квазикристаллы характеризуются высокой силой сопротивления движению дислокаций, что делает их менее пластичными и более твердыми.
Квазикристаллы обладают низкой теплопроводностью по сравнению с кристаллическими металлами. Это свойство делает их перспективными для термоэлектрических применений и создания эффективных теплоизоляционных покрытий.
Одним из наиболее практически важных свойств квазикристаллов является их низкая поверхностная энергия, приводящая к антиадгезионным свойствам. Поверхности квазикристаллов обладают свойствами, сходными с тефлоном - к ним практически ничего не прилипает.
Квазикристаллы классифицируются по типу симметрии и методу получения. К настоящему времени открыты многочисленные квазикристаллические сплавы, которые можно разделить на несколько основных категорий по типу симметрии и способу получения.
Наиболее изученный и распространенный тип квазикристаллов. Обладают икосаэдрической симметрией с 5-кратными осями. Первый открытый квазикристалл Al₆Mn относится именно к этому типу. Современные стабильные икосаэдрические квазикристаллы включают сплавы Al-Cu-Li, Al-Cu-Fe, которые могут расти в равновесных условиях.
Характеризуются 10-кратной осью симметрии в одном направлении и квазипериодичностью в перпендикулярной плоскости. Примерами служат сплавы Al-Co-Ni и Al-Mn-Pd. Эти структуры можно рассматривать как периодическое наслоение квазипериодических слоев.
Менее распространенные типы с 8-кратной и 12-кратной симметрией соответственно. Получаются в специальных условиях синтеза и часто представляют собой тонкопленочные структуры.
Породы, содержащие природную квазикристаллическую фазу, были найдены на Корякском хребте в России еще в 1979 году, однако установить их квазикристаллическую природу удалось только в 2009 году ученым из Принстона. Минерал икосаэдрит (Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃) имеет внеземное происхождение и формировался в экстремальных космических условиях при высоких давлениях и температурах. Летом 2011 года в ходе специальной экспедиции в Россию минералоги нашли дополнительные образцы этого уникального природного квазикристалла.
Несмотря на относительно недавнее открытие, квазикристаллы уже нашли практическое применение в различных отраслях промышленности. Их уникальные свойства открывают новые возможности для создания материалов с заданными характеристиками.
Первое коммерческое применение квазикристаллов - создание антипригарных покрытий для кухонной посуды. Компания Sitram разработала сковороды с покрытием на основе квазикристаллов, которые превосходят традиционные тефлоновые покрытия по долговечности и термостойкости.
Квазикристаллические добавки используются для улучшения свойств металлических сплавов. Исследования показывают возможность создания нержавеющей стали с улучшенными характеристиками прочности и коррозионной стойкости. Такие материалы находят применение в производстве высококачественных лезвий и специальных инструментов.
Низкая теплопроводность квазикристаллов в сочетании с их электрическими свойствами делает их перспективными для создания термоэлектрических преобразователей. Исследования показывают возможность создания более эффективных холодильных устройств на основе квазикристаллических материалов.
Квазикристаллические фазы используются как упрочняющие добавки в алюминиевых и других сплавах. Даже небольшие количества квазикристаллических включений значительно повышают твердость и износостойкость материала.
Современные исследования квазикристаллов охватывают широкий спектр фундаментальных и прикладных аспектов. Развитие новых методов синтеза и характеризации открывает ранее недоступные возможности изучения этих уникальных материалов.
В феврале 2025 года ученые из Израильского технологического института Техниона совместно с коллегами из немецких университетов опубликовали в журнале Science прорывное исследование о топологических свойствах квазикристаллов. Исследование раскрыло связь квазикристаллов с высшими измерениями и показало, что топологические свойства квазикристаллов в двумерном пространстве неразличимы, но различаются в многомерном представлении.
Уникальные топологические свойства квазикристаллов в высших измерениях открывают перспективы для применения в квантовых вычислениях. Потенциально эти материалы могут использоваться для кодирования и передачи квантовой информации.
Исследователи изучают возможность создания биомиметических материалов на основе принципов квазикристаллической организации. Некоторые биологические структуры демонстрируют квазипериодическую организацию, что может быть использовано для создания новых функциональных материалов.
Особое внимание уделяется изучению магнитных квазикристаллов, содержащих редкоземельные элементы. Эти материалы демонстрируют необычные магнитные свойства, включая ферромагнетизм и антиферромагнетизм на больших расстояниях, что может найти применение в спинтронике и магнитном охлаждении.
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для образовательных целей. Информация представлена на основе научных публикаций и исследований, актуальных на июнь 2025 года. Все данные проверены на соответствие текущему состоянию науки и техники. Автор не несет ответственности за точность всех технических данных и не рекомендует использовать материал статьи для принятия технических или коммерческих решений без дополнительной экспертной оценки.
1. Science (2025) - Топологические свойства квазикристаллов в высших измерениях 2. Нобелевская лекция Дана Шехтмана (2011) и последующие работы 3. Proceedings of the National Academy of Sciences (2021) - Квазикристаллы в тринитите 4. Векилов Ю.Х. "Что такое квазикристаллы" - классический обзор 5. Успехи физических наук - современные обзоры по квазикристаллам 6. Материалы исследований Техниона, Принстонского университета и других научных центров (2024-2025) 7. Официальные публикации о природных квазикристаллах (обновлено 2025)
Примечание: Специальные ГОСТы для квазикристаллов на июнь 2025 года отсутствуют в связи с исследовательским характером области.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.