Нобелевская премия по химии 2011 года

Лауреатом премии по химии за 2011 г. стал израильский материаловед Даниэль Шехтман. Ученый награжден “за открытие и исследование структуры квазикристаллов”.

Даниэль Шехтман родился в 1941 г. в Тель-Авиве. Сейчас он профессор наук о материалах в Израильском институте технологий в Израильском институте технологий в Хайфе, а также профессор университета штата Айова. В 1984 г. Д. Шехтман находился на так называемом sabbatical в Национальном бюро стандартов США – это «творческий отпуск» с сохранением, положенный профессорскому составу каждые 5-7 лет, в течение которых он может работать в другой организации, ездить с докладами, писать книги. Именно там он и совершил открытие, за которое удостоился Нобелевской премии.

Д. Шехтман – один из ведущих ученых в области физики твердого тела, технологии материалов, кристаллографии. Основные его научные исследования посвящены микроструктуре и свойствам быстро затвердевающих металлических сплавов. Научные достижения Шехтмана были отмечены многочисленными наградами, в том числе международной премией Американского физического общества за исследования в области новых материалов (1987), премиями по инженерии (1990), за достижения в области науки (1993), по физике (1998,1999). Д. Шехтман – автор более 100 научных работ (некоторые в соавторстве).

В начале 80-х гг. Шехтман работал в Национальном институте стандартов и технологии в США. Утром 8 апреля 1982 г. (точная дата открытия, что, стати, большая редкость, сохранилась благодаря журналу Шехтмана) он заглянул в электронный микроскоп, изучая быстроохлажденный сплав алюминия с марганцем, и увидел удивительную картину его атомного строения, которая не соотносилась с классическими представлениями о кристаллической структуре.

Дифракционная картина структуры сплава говорила о том, что перед ним кристалл с необычной симметрией. Более того, вращение кристалла показало, что это симметрия пятого порядка, т.е. кристалл, совпадает сам с собой при повороте вокруг оси симметрии на 360/5 = 72 (градуса), что противоречило законам природы. Другим отличительным свойством необычной кристаллической структуры было отсутствие в ней дальнего порядка, т.е. она не воспроизводила сама себя со строгой периодичностью, что ни как не укладывалось в научные представления о кристалле.

Неудивительно, что такие сенсационные результаты не были восприняты коллегами ученого: Д. Шехтмана изгнали из лаборатории Национального института стандартов и технологии, а его статья, направленная в «Journal of Applied Physics», не была принята к публикации. Лишь после воспроизведения экспериментов Шехтмана совместно с другими учеными – известными авторитетами в области кристаллографии новая статья (с соавторами) была принята и вышла в журнале «Physical Review Letters». В это же самое время другие ученые-кристаллографы по всему миру начали наблюдать похожие дифракционные картины для других материалов.

За экспериментами кристаллографов последовало математическое описание атомной структуры квазикристалла – так была названа новая структура.

За прошедшие годы открыто много квазикристаллических сплавов, причем с симметрией не, только пятого, но и восьмого, десятого и двенадцатого порядка. Эти сплавы проявляют свойства, порой сильно отличающиеся от металлических. Например, их электрическое сопротивление с ростом температуры падает, а не растет, они обладают низкой теплопроводностью. А отсутствие периодичности замедляет движение дислокаций (линейных дефектов кристалла), что повышает прочностные характеристики материала. Это свойство уже используют для разработки легких и прочных сплавов для авиации.

Квазикристаллы – это необычная форма упорядоченной структуры твердого тела, нечто среднее между классическими кристаллами и аморфными телами, однако их структура не обладает периодичностью и повторяемостью.

Теория квазикристаллов, как ни странно, была разработана задолго до их открытия: «квазикристаллические» орнаменты есть в средневековых мечетях Ирана. Это еще раз подтверждает высокий уровень развития арабской математики и архитектуры. Европейцы придумали упорядоченные непериодические мощения, или мозаики, на полтысячелетия позже: в 1976 г. знаменитый математик Роджер Пенроуз предложил «квазикристаллическое» мощение, получившее название «мозаики Пенроуза» (рис.13).

Рис.13. Один из вариантов мозайки Пентроуза с симметрией относительно вращения на 72º и кратные им

Заслугой Д. Шехтмана заключается в том, что он показал возможность существования этих завораживающе красивых структур в мире реальных объектов. С тех пор уже найдены и изучены сотни квазикристаллов – не только металлических сплавов, но и некоторых полимеров.

Довольно долго считалось, что природных квазикристаллов не существует, но в 2009 г. ученые обнаружили первый природный квазикристалл в редком минерале хатырките с Дальнего Востока России. Во фрагментах пород, собранных на Корякском нагорье, естественные квазикристаллы достигли размеров до 200 мк. Они состоят из атомов железа, меди и алюминия и имеют сложную структуру, с несколькими (до шести) осями пятого порядка.

Возможность практического применения квазикристаллов определяют следующие свойства: прочность, низкий коэффициент трения, низкую теплопроводность и необычные электропроводящие свойства. Самая важная область применения – производство покрытий. Это более перспективно, чем использование цельных квазикристаллов. Последние достаточно хрупкие, а при использовании покрытий проявляется их жесткость. Другой способ избежать проблемы хрупкости квазикристаллических материалов – использовать икосаэдрические квазикристаллические частицы нанометровых размеров для армирования сплавов на основе алюминия.

Практически все квазикристаллы получают искусственно путем охлаждения металлических сплавов со строго определенной, очень высокой скоростью – около 1 млн. ºС/с. Более высокая скорость охлаждения приведет к получению аморфного металла, поэтому производство квазикристаллов связано с изрядными сложностями.

В настоящее время исследование этих пока не очень понятных материалов продолжается.