A kvázikristályok a kristályokhoz hasonló, de rendhagyóbb szerkezetű anyagok, amelyek létezését egykor még a tudósok is kétségbe vonták. A NASA a kvázikristályok kutatását a négylevelű lóhere kereséséhez hasonlítja, mondván, hogy éppen akkora szerencse kell a felfedezésükhöz, mint a ritka növények megleléséhez. A kvázikristályok

“megszegnek minden szabályt, ahogyan a kristályoknak viselkedniük kéne”,

és a titkaik megfejtése még mindig tart, annak ellenére, hogy már 1982-ben sikerült őket szintetizálni.

De miért is olyan különösek ezek az anyagok? A kvázikristály elnevezésében a kvázi a kváziperiodikus elrendezésre utal, vagyis arra, hogy - a rendes kristályszerkezettel ellentétben - a struktúrájuk nagyon rendezett, de nem mutat periodicitást.

“Képzeld el, hogy építesz egy modellt játék építőkockákból, de ahelyett, hogy hagyományos téglákat használnál, amelyek egyszerű, ismétlődő rácsokat alkotnak, olyan különleges darabokkal dolgozol, amelyek hihetetlenül rendezett mintákat alkotnak, amik soha nem ismétlődnek tökéletesen.

Ez alapvetően a kvázi kristályok lényege: olyan anyagok, amelyekben az atomok rendkívül rendezett, de nem ismétlődő mintákba rendeződnek.” - magyarázza a NASA - “A hagyományos kristályok azonosak maradnak, ha meghatározott szögeken elforgatjuk őket, és csak bizonyos „szimmetriákkal” rendelkezhetnek, mint például 2-, 4- vagy 6-szörös szimmetriával (például egy négyzet 4-szer ugyanúgy néz ki, ha elforgatjuk). A kvázi kristályok viszont 5-, 8-, 10- vagy akár 12-szeres szimmetriával is rendelkezhetnek, amit a tudósok valaha lehetetlennek tartottak.”

Hogy mennyire lehetetlennek tartották, arról korábban írtunk: a kvázikristályokat először megfigyelő Daniel Dan Shechtman kritikák kereszttüzébe került a kvázikristályokkal kapcsolatos elméletei miatt, és még kvázitudósnak is kikiáltották, de ő kitartott az elképzelései mellett, és később el is nyerte jutalmát - 2011-ben Nobel-díjat kapott a felfedezéseiért.

A kvázikristályok tanulmányozása azért jelent különösen fontos kutatási területet a szakértők számára, mert a kváziperiodikus elrendezés a gyakorlati felhasználás szempontjából hasznossá teszi ezt az anyagot, extrémen ellenálló, strapabíró vagy éppen tapadásmentes eszközök, borítások készíthetőek belőle. A kvázikristályok ellenállóképességének egyik titkát pedig most meg is fejtették, így a jövőben még hatékonyabb módon tudják majd felhasználni az anyagot a különféle alkalmazásokhoz.

A Michigani Egyetem munkatársai a kvázikristályok egy speciális viselkedési formáját vizsgálták, ami lehetővé teszi, hogy az anyag ne károsodjon, ha akadályokkal találkozik. Míg a hagyományos kristályok szerkezetében problémákat okoz, ha valami (egy oda nem illő atom) akadályozza a rendezett kristályháló kialakulását, és ez a “tisztátlanság” a végén a kristályszerkezetet gyengíti, addig a kvázisristály egyszerűen átrendezi az atomjait olyan módon, hogy magukba tudják foglalni az akadályozó tényezőt, mivel azoknak nem kell tökéletes szimmetriát alkotniuk.

“A kvázikristályok szerkezetét gyakran geometriai “csempék” segítségével írják le (például olyanokkal, amelyek sarkaiban atomok helyezkednek el), amelyek kétdimenziós térben illeszkednek egymáshoz.

Kétféle rombusz alakú csempét például úgy is el lehet helyezni, hogy hézagok nélkül fedjenek le egy felületet, és ez a minta hozza létre a kvázikristályokra jellemző “tiltott” szimmetriákat. Ha ezek közül egy csempe kénytelen megváltoztatni az irányát - mondjuk egy szennyező atom hatására a rácsban - , akkor gyakran elegendő néhány szomszédos csempe átrendezése ahhoz, hogy az új szerkezet illeszkedjen.” - írja az Amerikai Fizikusok Társasága.

A kvázikristályok emiatt sokkal nagyobb fokú strukturális rugalmassággal és alkalmazkodóképességgel rendelkeznek, mint a kristályok, és “el tudják nyelni” a zavaró elemeket, amelyek feszültséget okozhatnának.

Ennek eredménye a kvázikristályokból készült anyagokban is megmutatkozik: az ilyen anyagok sokkal strapabíróbbak lehetnek, a kvázikristályok “öngyógyító” hatása miatt. A fémötvözetek hűtése közben például sokszor előfordul, hogy hibák (apró lyukak) alakulnak ki az anyagban, de a megfigyelések szerint az alumíniumból, kobaltból és nikkelből készült kvázikristályok esetében a hűtés során az atomok átrendeződése révén a rácsszerkezet problémamentes maradt.

“A kialakuló növekedési és javítási mechanizmusok olyan anyagtulajdonságokhoz vezethetnek, amelyek fontosak lehetnek különféle alkalmazásokban, például adaptív vagy akár öngyógyító anyagok esetében.”

- mondta el Michael Schmiedeberg fizikus a kutatással kapcsolatban.

(Fotó: K. L. Wang et al., LinKayser/Wikimedia Commons)

Egykor a létezésükben sem hittek a tudósok, de most új életre kelnek a kvázikristályok A világ legritkább kristályos anyagainak szerkezete olyan különös, hogy a felfedezésükért felelős kutató évekig gúny és kritikák célpontja volt, eredményeit pedig hitetlenség övezte, mígnem 2011-ben Nobel-díjat kapott a munkájáért. A kvázikristályok most egy új vizsgálatnak köszönhetően akár a mindennapokban is megtalálhatják a helyüket.