Нобелевская премия за мозаику Пенроуза. История квазикристаллов, которые сначала были лишь причудливым математическим узором

Квазикристаллы — материалы с «запрещёнными» симметриями, открытые в 1982 году Дэном Шехтманом, десятилетиями считались загадкой для физиков и химиков. Их атомы выстраиваются в пентагоны и другие фигуры, образуя узоры, которые никогда не повторяются. Как именно атомы способны формировать такие сложные структуры без внешнего «плана», долго оставалось непонятным.

Недавно сразу несколько исследований приблизили учёных к разгадке. Группа материаловеда Вэньхао Суна из Университета Мичигана впервые показала , что некоторые квазикристаллы термодинамически стабильны — их атомы не переходят в более «выгодное» энергетическое состояние. Работа опубликована в журнале Nature Physics .

Другие исследователи разработали метод наблюдения за процессом образования квазикристаллов в реальном времени, а ещё одна команда зарегистрировала новые свойства , включая явление антиферромагнетизма, ранее считавшееся несовместимым с нерегулярной структурой таких материалов.

История началась ещё до открытия: британский математик Роджер Пенроуз создал мозаики , покрывающие плоскость без повторов и демонстрирующие «запрещённую» пятикратную симметрию. Именно они стали прообразом атомных структур, обнаруженных Шехтманом. За это открытие он получил Нобелевскую премию по химии в 2011 году.

Квазикристаллы почти не применяются в промышленности: они менее пластичны, чем металлы, и менее хаотичны, чем стекло. Их уникальные свойства изучаются точечно: покрытия для антипригарной посуды, усиление медицинских инструментов, а также микрометки для защиты искусства от подделок.

Чтобы объяснить их устойчивость, команда Суна использовала метод функционала плотности (DFT), который позволяет вычислять свойства материалов, анализируя распределение электронов. Из-за отсутствия повторяющихся ячеек учёные применили подход «нанолопатки», беря случайные фрагменты из сотен атомов. Эти расчёты стали одними из самых ресурсоёмких в истории и впервые потребовали экзафлопсных суперкомпьютеров.

Результат оказался неожиданным: полученные энергии совпали с зоной устойчивости известных соединений. Это подтвердило, что квазикристаллы действительно могут быть стабильными. «Мы показали, что они не временная аномалия, а устойчивые структуры», — отметил учёный.

Тем временем группа Бреннана Спринкла из Школы рудников Колорадо предложила новый способ синтеза: они использовали магнитные микрочастицы Dynabeads, управляя ими с помощью полей. Квазикристаллы буквально «вырастали» на глазах, словно трёхмерные снежинки. Как отметил химик Чэд Миркин из Северо-Западного университета, это первый «живой» эксперимент, позволяющий наблюдать формирование квазикристаллов.

Японские учёные добавили ещё одну неожиданность, зафиксировав антиферромагнетизм в квазикристаллах — свойство, казалось бы, невозможное в нерегулярных структурах.

Все эти результаты оживили интерес к области, где встречаются математика, физика, химия и даже искусство. «Квазикристаллы — как утконос среди материалов», — говорит Вэньхао Сун. — «Они сочетают черты кристаллов и аморфных тел, и именно это делает их настолько удивительными».