A kvázikristályokat először megfigyelő Daniel Dan Shechtman nem mástól, mint a molekuláris biológia egyik megalapozójától, Linus Paulingtól kapta az egyik legerőteljesebb kritikát a felfedezését illetően, aki egy ízben egy konferenciára összegyűlt több száz fős nézőközönség előtt jelentette ki, hogy a kémikus nagyot téved.

"Danny Shechtman értelmetlen dolgokat beszél, nincsenek kvázikristályok, csak kvázitudósok."

- jelentette ki Pauling, nem is sejtve, hogy a kutató néhány évvel később Nobel-díjat kap a felfedezéséért.

Az először 1982-ben szintetizált kvázikristályok, melyeket Shechtman hirtelen lehűtött alumínium-mangán ötvözetben mutatott ki, a szokatlan felépítésű szerkezetükkel váltották ki a hitetlenkedést a tudósokból, ezek a struktúrák ugyanis a kristályokhoz hasonló, de mégsem kristályos szerkezettel rendelkeznek. Míg a kristályokban az atomi építőelemek periodikus mintázatba rendeződnek, addig a kvázikristályokban a periodikusság megszűnik, de a rendezettség megmarad, ezzel egyfajta átmenetet képeznek az amorf és a kristályos anyagok között. A forgási szimmetriájuk sem a hagyományos kristályokra jellemző mintázatot mutatja: lehetséges az öt-, vagy tízfogású szimmetriatengelyek jelenléte is, ami korában lehetetlennek tűnt, mivel az általánosan elfogadott elmélet szerint csak a kettő-, három-, négy- vagy hatfogású szimmetriatengelyű egységek létezhetnek a valóságban, csak az ezeket felépítő elemi cellák tudják teljesen kitölteni a teret.

Shechtman megfigyelése szerint a kvázikristályok többféle elemi cellából is állhatnak, 5 vagy 6 dimenzióban értelmezve pedig periodikusnak számít a szerkezetük, vagyis kváziperiodikus elrendezésűek. A különleges kristályokat laboratóriumi körülmények között már számtalanszor előállították, leggyakrabban valamilyen fémötvözet felhasználásával, de az, hogy természetes körülmények között hogyan tudnak kialakulni, sokáig csak találgatások tárgyát képezte, bár egy júniusban megjelent tanulmány szerint találtak nem egészen természetes módon, hanem emberi tevékenység következtében, a világ első atomrobbantásának helyszínén található trinititben is ilyen anyagot.

A "vadon élő" kvázikristályok első és második példányát egy meteorit maradványaiban fedezték fel 2009-ben, 2016-ig pedig összesen csak három alkalommal találtak természetes úton keletkezett kvázikristályt, mindháromszor a Khatyrka meteoritban, amely, ahogyan azt a Paul Steinhardt, a minták felfedezője kiderítette, északkelet Oroszország területéről, a Kamcsatka félszigetről származik. Az űrbeli ütközések lehetőséget adhattak rá, hogy olyan extrém körülmények jöjjenek létre, amelyek között megszülettek a különleges struktúrák, de a földi laboratóriumokban való előállításuk során leginkább csak tökéletlen kvázikristályokat sikerült kreálni, legalábbis, ha a tökéletesen a stabil és így gyakorlati célokra is felhasználható anyagot értjük.

A kvázikristályok ipari alkalmazása ugyan megkezdődött, kísérleteztek vele például serpenyők bevonataként, mivel a célnak megfelelően elég ellenálló, kemény, nem ragad és nem korrodál, megerősítettek vele acéleszközöket, sebészi fogókat, jó szigetelőképességét pedig rakéták hajtóműveinek és repülőgépek turbináinak hatékonyabbá tételéhez tervezték kihasználni. A kvázikristályok viszont mégsem bizonyultak minden esetben olyan ideális alapanyagnak, mint amire számítottak a gyártók, a kristályok között ugyanis vékony repedések találhatóak, amelyek rontják a teljesítményüket és tönkreteszik a korróziónak ellenálló és stabilitást adó tulajdonságaikat. Az anyag emiatt egészen eddig nem hozta el a várt forradalmat a gyakorlati alkalmazásokban, de ez a helyzet most megváltozhat egy új felfedezésnek köszönhetően.

A Michigan Egyetem kutatóinak sikerült kifejleszteni a módszert, amivel a kisebb méretű kristályok egy nagyobb, repedésektől mentes egységgé olvaszthatóak össze, így megszűnnek a hibák, amelyek a problémákat okozzák. A felfedezésre véletlenül került sor, miközben a csapat a kristályok kialakulását tanulmányozta.

"Úgy tűnik, a kristályok meggyógyítják magukat ütközés után, átalakítanak egyfajta hibát egy másik típusúvá, míg végül a hiba teljesen eltűnik."

- mondta Ashwin Shahani, az egyetem helyettes professzora.

A kísérletben alumínium, kobalt és nikkel 1020 Celsius-fokos olvasztott elegyében található, a milliméter törtrészénél is kisebb kvázikristályokat figyeltek meg, amelyek hűtés közben összeütköztek egymással és egy nagy kvázikristállyá alakultak. A vizsgálat után számítógépes szimulációkon is ellenőrizték az eredményt és megállapították, hogy csak bizonyos feltételek teljesülésével következik be az összeolvadás, például a kisebb részeknek meghatározott szögben kell egymással szemben elhelyezkedniük ahhoz, hogy eggyé tudjanak válni. A számítógépes modellek felhasználásával a kutatók most már nagyobb eséllyel lesznek képesek hibamentes egységeket előállítani, de a kvázikristályok nagy tömegű gyártására és ipari alkalmazásának kezdetére még várni kell Shahani szerint.

"Az egyik ok, amiért az ipar lemondott a kvázikristályokról, az, hogy tele vannak hibákkal.

De reménykedünk benne, hogy vissza tudjuk őket hozni a köztudatba. Ez a felfedezés pedig arra utal, hogy ezt meg lehet csinálni." A kutatók egyelőre nem adtak részletesebb információkat arról, hogy mihez lehet majd felhasználni ezeket a nagy, tízszögű struktúrákat, de úgy gondolják, hogy úgynevezett szintereléssel, nagy nyomáson és magas hőmérsékleten történő kezeléssel megoldható lesz a tömeges előállításuk.

(Fotó: Paul Steinhardt/Wikimedia Commons, Ames Lab/Wikimedia Commons, Shahani Group/University of Michigan)

További cikkek a témában:

A tudósoknak először sikerült megfigyelni a Pauli kristályokat Egyre gyorsuló tempóban zajlik az anyag alapvető titkainak, szerkezetének, működésének feltárása a fizika, a kémia, és a belőlük eredő tudományterületek virágkorukat élik. Szinte minden hétre jut egy első alkalommal, egy először a világon.
A kvantumkristály felfedheti, ahogy a sötét anyag interakcióba lép a normál anyaggal A világegyetem legnagyobb részét olyan rejtélyes anyag alkotja, amelynek észlelésére csak közvetett módon van lehetőség. Miből áll a sötét anyag, ami úgy tűnik, hogy különbözik minden általunk ismert részecske felépítésétől? A kvantumösszefonódás választ adhat a kérdésre.
Megszületett a valódi időkristály - az anyag valószínűtlen állapota, ami az örökmozgóhoz hasonlóan működik Nem vesz fel energiát a környezetéből, az állapota mégis konstansan változik az időkristálynak, egy tanulmány szerint pedig most sikerült kvantumszámítógépen létrehozni a szokatlan jelenséget.